鍋爐內膽水溫PID控制實驗

1、第五節(jié) 鍋爐內膽水溫PID控制實驗一、實驗目的1. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線,分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。2. 比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的性能產生的影響。3. 分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。二、實驗設備1. THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置 2. 計算機及相關軟件 3. 萬用電表一只三、實驗原理本實驗以鍋爐內膽作為被控對象，內膽的水溫為系統(tǒng)的被控制量。本實驗要求鍋爐內膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉑電阻TT1檢測到的鍋爐內膽溫度信號作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調節(jié)器控制三相調壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電壓），以達到控制鍋爐內膽水溫的目的。在

2、鍋爐內膽水溫的定值控制系統(tǒng)中，其參數(shù)的整定方法與其它單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時延較大，所以其控制過渡時間也較長，系統(tǒng)的調節(jié)器可選擇PD或PID控制。本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖5-1所示。圖5-1 鍋爐內膽溫度特性測試系統(tǒng)(a)結構圖 (b)方框圖可以采用兩種方案對鍋爐內膽的水溫進行控制：（一） 鍋爐夾套不加冷卻水（靜態(tài)）（二） 鍋爐夾套加冷卻水（動態(tài)）顯然，兩種方案的控制效果是不一樣的，后者比前者的升溫過程稍慢，降溫過程稍快。無論操作者采用靜態(tài)控制或者動態(tài)控制，本實驗的上位監(jiān)控界面操作都是一樣的。四、實驗內容與步驟1.先將儲水箱貯足水量，將閥門F1-1、F1-4、F1-5、F1

3、-13全開，打開電磁閥開關，其余閥門關閉，啟動380伏交流磁力泵，給鍋爐內膽貯存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的紅線位置），然后關閉閥F1-13、F1-4及電磁閥，打開閥F1-12，為給鍋爐夾套供冷水做好準備。2.接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的PC機，進入的實驗主界面,在實驗主界面中選擇本實驗項即“鍋爐內膽水溫PID控制實驗”。3.合上三相電源空氣開關，三相電加熱管通電加熱，適當增加/減少輸出量，使鍋爐內膽的水溫穩(wěn)定于設定值。4.按指導書第二章第一節(jié)中的經驗法或動態(tài)特性參數(shù)法整定調節(jié)器參數(shù)，選擇PID控制規(guī)律，并按整定后的PID參數(shù)進行調節(jié)器參數(shù)設置。5.待鍋爐內膽水溫穩(wěn)定于給

4、定值時，將調節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，然后記錄曲線。6.開始往鍋爐夾套打冷水，重復步驟35，觀察實驗的過程曲線與前面不加冷水的過程有何不同。7.分別采用P、PI、PD控制規(guī)律，重復上述實驗，觀察在不同的PID參數(shù)值下，系統(tǒng)的階躍響應曲線。8.上述實驗用計算機實時記錄的響應曲線。 （1）P（2）PI（3）PD（4）PID9.計算（1）P穩(wěn)態(tài)誤差=30-29.37=0.63上升時間：tr=5:48:27-5:47:23=64(s)（2）PI峰值時間：tp=6:22:25-6:19:26=2:59=179(s)超調量=(44.25-35)/ (35-2.528)*100%=28.5%（3）PD穩(wěn)態(tài)誤差

5、=35-34.04=0.86上升時間：tr=6:49:25-6:48:10=75(s)（4）PID上升時間：tr=7:05:50-7:04:40=70(s)峰值時間：tp=7:07:30-7:04:40=170(s)超調量=(44.15-35)/ (35-2.626)*100%=28.3%10.分析（1）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和曲線,分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的動、靜態(tài)性能。分析：系統(tǒng)在階躍擾動作用下，當比例系數(shù)較大時，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也較大，這是因為比例系數(shù)會加大幅值；在加入微分環(huán)節(jié)以后，系統(tǒng)的動態(tài)誤差明顯減小，但調節(jié)時間卻延長，這是因為微分具有超前的作用，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。（2）比較不同PID參數(shù)對

6、系統(tǒng)的性能產生的影響。Ti：為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大，他推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，知道為零，由于積分項的存在會使調節(jié)時間增大。因此，PI控制器可使系統(tǒng)在進入穩(wěn)太后無穩(wěn)態(tài)誤差。Kp:放大誤差的幅值，快速抵消干擾的影響，使系統(tǒng)上升時間降低，如果僅有比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會存在穩(wěn)態(tài)誤差。Td：自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調解過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)，在控制器中僅引入“比例P”往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，他能預測誤差

7、的變化趨勢。這樣具有比例加微分的控制器，就能夠提前十抑制誤差的的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重失調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，PD控制器能改善系統(tǒng)在調解過程的動態(tài)特性。（3）分析P、PI、PD、PID四種控制規(guī)律對本實驗系統(tǒng)的作用。P:是基本的控制作用，比例調節(jié)對控制作用和擾動作用的響應都很快但會帶來余差。PI: PI調節(jié)中P調節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調節(jié)消除殘差，但是I調節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PD:由于微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，震蕩周期變短，減小了誤差，但是微風抗干擾能力差，且微分過大易導致調節(jié)閥動作向兩端飽和。PID:常規(guī)調節(jié)器中性能最好的一種

8、調節(jié)器，具有各類調節(jié)器的優(yōu)點，具有更高的控制質量。五、思考題1.在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用 PD 和 PID 控制，系統(tǒng)的性能并不比用PI 控制有明顯地改善？答：目前溫度傳感器采用熱電偶或熱電阻有零點幾秒到十幾秒的延遲，在控制中必須加微分D做提前產生作用。在實際運用中會覺得與工況變化不相符，往往是覺得超調嚴重而調亂PID參數(shù)。2.為什么內膽動態(tài)水的溫度控制比靜態(tài)水時的溫度控制更容易穩(wěn)定，動態(tài)性能更好？答：內膽是一個封閉的空間，幾乎就不向外界散熱，使用傳感器測溫時，測的是某一點的溫度，內膽其它地方的溫度可能與測量點的溫度并不完全一致，靜態(tài)水不流動，無法快速進行熱傳遞，而動態(tài)水卻因為它是流動的，使水溫保持均勻，當然也就更容易控制。3.如果要消除系統(tǒng)的余差為什么采用 PI 調節(jié)器，而不采用純積分器？答：因為比例積分適用于滯后比較小，負荷變化不大，不允許有余差的控制系統(tǒng)。而純積分器會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。積分能在比例的基礎上消除系統(tǒng)的余差，它適用于控制通道