儀表實驗報告——溫度控制系統(tǒng)

1、實驗四溫度控制系統(tǒng)（一）一實驗目的：1了解溫度控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)和各環(huán)節(jié)的作用。2觀察比例、積分、微分控制規(guī)律的作用，并比較其余差及穩(wěn)定性。3觀察比例度 、積分時間 TI、微分時間 TD 對控制系統(tǒng)（閉環(huán)特性）控制品質的影響。二溫度控制系統(tǒng)的組成：電動溫度控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中常見的一種，其作用是通過一套自動控制裝置，見圖 4-1，使爐溫自動維持在給定值。圖 4-1溫度控制系統(tǒng)爐溫的變化由熱電偶測量， 并通過電動溫度變送器轉化為 DDZ- 型表的標準信號 010mA 直流電流信號，傳送到電子電位差計 XWC 進行記錄，同時傳送給電動控制器 DTL ，控制器按偏差的大小、方向，通過預定控制規(guī)律

2、的運算后，輸出 010mA 直流電流信號給可控硅電壓調整器 ZK-50 ，通過控制可控硅的導通角，以調節(jié)加到電爐（電烙鐵）電熱元件上的交流電壓，消除由于干擾產(chǎn)生的爐溫變化，穩(wěn)定爐溫，實現(xiàn)自動控制。三實驗內容與步驟：（一）觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的結構、型號、電路的連接，熟悉可控硅電壓調整器和電動控制器上各開關、旋鈕的作用。（二）控制系統(tǒng)閉環(huán)特性的測定：在以下實驗中使用以下具體數(shù)值： 1，2(80%)，TI 1I 2(40s)，(50%)(50s)，TTD1(30s)來觀察比例與積分控制規(guī)律的作用（1） 考察比例作用將置于某值50%，記住 旋鈕在 1 的位置 ， 積分時間置最大（TI =max），微分開關

3、切向 0，將干擾開關從“短”切向“干擾” ，產(chǎn)生一個階躍干擾（此時為反向干擾） ，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻， 觀察并記錄在純比例作用下達到穩(wěn)定的時間及余差大小。（2） 考察積分作用保持 = 1 不變，置 TI =TI 1，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄積分作用加入的時刻， 注意觀察積分作用如何消除余差， 直到過程基本穩(wěn)定。2觀測 PI 控制作用下的過渡過程保持 1，TI1 不變，將干擾開關從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個正向階躍干擾，觀察過渡過程到基本穩(wěn)定。3考察 對余差的影響置=2 ，TI =max ， 將干擾開關從“短”切向“干擾” ，產(chǎn)生一個反向階躍

4、干擾，同時在記錄儀的記錄線上作一記號， 以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察并記錄在純比例作用下達到穩(wěn)定的時間及余差大小。 并與 1（1）中 = 1 時的余差相比較。再加入積分作用TI =TI 1 以消除余差直到過程基本穩(wěn)定。4考察 TI 對過渡過程的影響置=1 ，TI =TI 2 ，將干擾開關從“干擾”切向“短” ，產(chǎn)生一個正向階躍干擾，同時在記錄儀的記錄線上作一記號， 以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察過渡過程到基本穩(wěn)定，并與 2 中的實驗結果進行比較，以了解 TI 對1過渡過程的影響。注意：要在同樣條件下才能進行比較，即 旋鈕的位置要與 2 中的位置完全一致，才能保證此時的 1 與 2 中的 1

5、是相等的5觀測 PID 控制作用下的過渡過程保持 =1 ， TI =TI 2 不變，置 TD =TD1 ，微分開關切向D ，將干擾開關從“短”切向“干擾” ，等待過程穩(wěn)定后，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察過渡過程，并與 PI 控制作用下的過渡過程進行比較。6考察 對穩(wěn)定性的影響將減小到 1， TI =max，微分開關切向0，觀察過渡過程波動曲線。7.簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定采用衰減曲線法（ 41）進行參數(shù)整定，在純比例（ TI =max ，微分開關切向0）作用下， 置于一個較大的數(shù)值（ 30 60），用改變給定值（一般為 5 個小格左右）額定值的 5左右，本實驗可

6、改變給定值刻度盤上的五個小格的方法加入階躍輸入，觀察記錄曲線（過渡過程） ，并計算衰減比，此時衰減比若大于 41 ，應減小 值，再用改變給定值的方法加入階躍輸入，觀察記錄曲線，并計算衰減比，直到得到衰減比為 41 的過渡過程，記下此時的比例度 S，并通過尺子量出衰減振蕩曲線中一個周期的長度，根據(jù)記錄儀的走紙速度計算出振蕩周期 TS ，然后根據(jù)經(jīng)驗公式： =1.6 S ，TI=0.4T STD =0.2T S求出相應的 、TI 、TD 值，把它們加到控制器中，此時給定值不要變，將干擾開關從“短”切向“干擾” ，觀察記錄的（反向階躍）過渡過程曲線，再將干擾開關從 “干擾” 切向“短”，觀察記錄的（

7、正向階躍）過渡過程曲線，跟各組提供的標準過渡過程曲線（歷屆同學做得最好的過渡過程曲線）相比2較，注意正向的與正向的比較，反向的與反向的比較，若有差距，可以適當改變 、 TI 、TD 值（每次改變 、TI 、TD 值，均要記錄），重復以上過程，直到控制系統(tǒng)的控制質量接近或超過標準。四問題討論1 由實驗結果討論比例、比例積分、比例積分微分控制規(guī)律的作用，比較余差及穩(wěn)定性A. 考察純比例作用（ =50%， TI =max，TD=0），達到穩(wěn)定的時間是 246，余差大小是 12mmB.考察積分作用（ =50%，TI 1 =50s，TD =0），比較積分與比例作用的曲線發(fā)現(xiàn)是相互對稱的，余差的消除時間與

8、比例積分過渡時間基本一致。C.在 PI 作用下，系統(tǒng)加入干擾后能消除余差，然而振蕩變劇烈，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。D.對于擾動作用，考察 對余差的影響，由圖比較在（=80%，TI =max，TD=0）和在（ =50%， TI =max，TD =0）控制作用下的兩條曲線可知， =80%對應的余差為 33mm>12mm，說明 越大，余差越大E. TI 對過渡過程的影響通過比較（ =50%， TI 1 =50s，TD =0）和（ =50%，TI2 =40s，TD =0），發(fā)現(xiàn)積分時間越小，積分作用越強，消除余差越快，振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。F.PID 作用下（ =50%，TI 2 =40s， TD

9、=30s），與 PI 下（ =50%，TI =40s，TD =0）的控制過程比較， PID 作用下的曲線較平穩(wěn)，穩(wěn)定性較高，回復時間短，能較好地實現(xiàn)快速調節(jié)過程。這說明在負荷變化劇烈、擾動幅度大的系統(tǒng)中，適當引入微分作用，可在一定程度上提高系統(tǒng)的控制質量。這是因為當控制器在感受到偏差后再進行控制，過程已經(jīng)受到較大幅度擾動的影響，而引入微分作用后，當被控變量一有變化時，根據(jù)變化趨勢適當加大控制器的輸出信號，將有利于克服擾動對被控變量的影響，抑制偏差的增長，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于過渡過程的影響，綜上分析可知它的值越小，比例控制作用越強，余差小，當 減小到 1%，實現(xiàn)純比例控制時，將出現(xiàn)發(fā)散振蕩

10、的情況，這是因3為其小于其臨界比例度2 分析不同的 、 TI 、TD 對過渡過程的影響。綜合 1 的考察分析，歸納如下：對過渡過程的影響：a. 在擾動存在時，最后的被控變量與設定值總會存在一定的偏差。這是因為一旦系統(tǒng)的平衡關系遭到破壞時，控制器必須有一個輸出量才能建立新的平衡關系，而比例控制器的輸出又是正比于輸入e 的，因而這時控制器的輸入必然不會為0b. 越小，衰減比越小，比例控制作用增強，余差減小，回復時間縮短，能較快地將被控變量拉到設定值，但是另一方面，值越小，穩(wěn)定性會越低，特別是當 減小到小于其臨界比例度 k 時，系統(tǒng)發(fā)散振蕩，可能會造成事故。TI 對過渡過程的影響在純比例作用下引入積

11、分作用，若保持控制器的比例度不變，隨著TI 減小，積分作用增強，消除余差快，但另一方面使震蕩加劇，衰減比下降，穩(wěn)定性下降。TD 對過渡過程的影響TD越大，微分作用越強，過大則可能會造成系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振蕩。3 . 繪制一組你在改進控制系統(tǒng)的控制質量的過程中所得到的過渡過程曲線，并注明各參數(shù)值。衰減比 4：1 下得到的 s=10%，通過尺子量出衰減振蕩曲線中一個周期的長度為 5.5mm，而走紙速度為 300mm/h，故 Ts=5.5/300*3600=66s ；根據(jù)經(jīng)驗公式 =1.6 S =0.16 TI=0.4T S=26.4sTD =0.2T S=13.2s把它們加入到控制器中，曲線呈發(fā)散，使曲

12、線發(fā)散的因素包括 、 TI 、TD ，根據(jù)理論可知在 TI 越小，TD 和保持不變的情況下， 曲線越容易發(fā)散（故后續(xù)的值均應往大調）經(jīng)過幾組的參數(shù)調節(jié)，進行質量的控制，涉及的參數(shù)如下表所示4序號12345678910/%16161313181818161513TI/s26.4303020303028303030TD/s13.213.213.213.213.215151515154. 針對你的實驗經(jīng)驗與結果， 討論為了得到更好的控制質量， 如何根據(jù)實際的過渡過程的具體缺陷，調整 、TI 、TD 值。由此次實驗總結， 控制系統(tǒng)的控制質量應盡量使最后的溫度變化不會太明顯，即波動不會太劇烈（本實驗建議

13、在衰減比為4：1 的情況下調整），并且，另一方面，過渡時間盡量短.為此，大體上遵循以下步驟調整（1）在參數(shù)值使系統(tǒng)發(fā)生發(fā)散時，首先得確定三個參數(shù)中是哪個參數(shù)對其造成了最大的影響，可以通過控制變量法來確定（2）發(fā)現(xiàn)是積分時間對其發(fā)散影響最大的情況下，在微分時間一定的情況下調節(jié)，可以適當?shù)匕逊e分時間調大，同時比例度應適當調小（這兩個參數(shù)值均在求出的經(jīng)驗值的附近值）一方面是為了避免發(fā)散現(xiàn)象，另一方面是為了盡量使削減比保持在 4：1 左右，振蕩不會過度劇烈（3）在保證溫度不會變化得太大的情況下，再調整微分時間來實現(xiàn)縮短過渡時間的控制效果五、心得體會1.在考察比例、積分、微分控制規(guī)律對系統(tǒng)的作用時，每調

14、一次值，必需等到被控變量不再改變時再繼續(xù)進行下一步，否則會造成偏差的積累，對于最后的結果產(chǎn)生影響。2.干擾開關從“干擾”切向“短” ，或者從“短”切向“干擾”均產(chǎn)生一個階躍信號，故每次在調好參數(shù)后，欲使其對系統(tǒng)施加影響，都必須切換開關。53.做實驗時應認真思考調節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)施加的控制作用的規(guī)律， 從而指導下一個實驗步驟，如在考察 TI 對余差的影響時，發(fā)現(xiàn) TI 值對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定的影響，過小則振蕩加劇，故在下一步設置參數(shù)值時，應該控制其大小，防止發(fā)散。4. 當系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)散時，為使系統(tǒng)能較快地恢復到穩(wěn)態(tài)，則根據(jù)在實驗過程中獲得的最快使系統(tǒng)恢復的參數(shù)來調節(jié)，以節(jié)約時間。5. 在衰減比 4：1 的前提下做參數(shù)整定的實驗，是因為工業(yè)生產(chǎn)中，定值系統(tǒng)（設定值不變，通過切換干