自动化仪表与过程控制实验指导书DOCWord文件下载.docx

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40

50

60

70

80

90

100

输入值R（Ω）

100

138.5

正行程Ia（mA）

反行程Ia（mA）

五.作图:

实验二　电动调节器的PID参数校正

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、实验装置

1）、TKGK-1型过程控制实验装置：

PID调节器GK-04、变频器GK-07-2

2）、计算机及监控软件

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、实验内容与步骤

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Ti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

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。

实验三气动差压变送器调校

一、实验目的：

1、气动差压变送器的结构及工作原理。

2、据不同的使用要求调整变送器的工作范围（迁移量），从而正确掌握气动变送器调零和调迁移的方法。

二、实验设备：

QBC-32型气动差压变送器、精密压力表（2块）、气源装置和定值器。

三、实验内容及步骤：

1.无迁移调校

1）调零及观察量程

a.调整定值器，使Psr=0时，调整调零弹簧使Psc=0.2kgf/cm2（0.02MPa）

b.调整定值器,当Psr=0.4kgf/cm2（0.04Mpa）,时Psc=1kgf/cm2（0.1Mpa），观察量程。

２）测试特性曲线

首先重复上述a.b使之满足，然后依下表进行测试：

Psr

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Psc

2.正迁移50%调校

调迁移：

调定值器使Psr=0.2kgf/cm2（0.02MPa）,

通过调迁移弹簧使Psc=0.2kgf/cm2（0.02MPa）观察量程是否改变。

四、实验报告：

根据上表数据画出特性曲线，进行差压变送器的误差分析。

实验四KMM可编程数字调节器的系统组态

一．实验目的

1）了解智能仪表的使用及参数的自整定；

2）设计温度二位控制系统；

二．实验设备

TKGK-1过程控制实验装置：

GK-04、GK-07-2、AI-708智能调节器

三．实验原理

1.A1-708智能调节简介：

1）特点与用途：

AI-708型仪表，具备0.2级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调节、AI人工智能调节、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR电压、可控硅无触点开关及单相/三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括0—10mA及0—20mA等）。

适合在化工、石化、火电、制药、冶金等行业做高精度测量、显示、变送、位式/人工智能/PID调节或报警等功能。

其AI人工智能调节可实现较为理想的温度控制。

2）主要参数功能说明：

Ctrl（控制方式）：

Ctrl=0，采用位式调节，只适合要求不高的场合。

Ctrl=l，采用AI人工智能调节PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

Ctrl=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置3或4。

Ctrl=3，采用AI人工智能节，自整定结束后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，以防止误操作重复启动自整定。

Ctrl=4，该方式下与Ctrl=3时基本同，但其P参数定义为原来的10倍，即可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。

．HIAL（上限报警）：

测量值大于HIAL＋dF值时，仪表将产生上限报警。

测量值小于HIAL－dF值时，仪表将解除上限报警。

设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

．LOAL（下限报警）：

测量值小于LOAL－dF时产生下限报警，当测量值大于LOAL＋dF时下限报警解除。

设置LOAL到其最小值（－1999）可避免产生报警作用。

．dHAL（正偏差报警）：

采用AI人工智能调节时，当正偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL＋dF时产生正偏差报警。

当偏差小于dHAL－dF时负偏差报警解除。

设置dHAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

．dLAL（负偏差报警）：

采用AI人工智能调节时，当负偏差（测量值PV减给定值SV）大于dLAL＋dF产生负偏差报警，当偏差小于dLAL－dF时负偏差报警解除。

设置dLAL＝9999时，负偏差报警功能被取消。

．dF（回差）：

回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生/解除。

另外：

Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。

（详见AI人工智能工业调节器使用说明书）

2.温度二位控制原理与调试方法：

1）A1-708智能调节器作为二位调节器时的参数设置：

控制方式：

Ctrl=0

输入规格：

SN=21（PT100）

输入下限值：

dIL=0

输入上限值：

dIH=100

输出方式：

OP1=0

输出下限值：

OPL=0

输出上限值：

OPH=100

回差：

dF＝0.3

系统功能选择：

CF=4

通讯地址：

Addr=00（0mA）

通讯波特率：

BAUd=l00（10mA）

运行及上电信号处理：

RUN=1

2）AI-708作为二位调节器时的工作原理

当PV（测量温度）减小到小于SV－dF（设定温度减回差）时，调节器输出DC12V控制电压；

当PV增大到大于SV＋dF（设定温度加回差）时，调节器输出控制电压为0；

调节器输出的电压直接控制固态继电器的通断，以控制是否加热，从而达到控制温度的目的。

由过程控制原理可知，二位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程。

因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质的指标。

一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位系统来说，若要振幅小，则周期必然短；

若要周期长，则振幅必然大。

因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。

四．实验步骤

1.成实验系统的连线工作。

1.按实验原理中的说明，先对AI-708智能仪表进行参数和给定值的设置，然后打开GK-01上的加热开关，使系统投入自动运行。

2.以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内加水。

3.用上位机采集实时数据并显示过渡过程曲线：

将AI-708的温度检测信号输出端“TT”接单片控制屏GK-03的信号输入端“TT”；

设置单片机回路。

4.参数St=2、CH=100、CL=0；

用串行通信线将GK-03与上位机相连，以便实验时观察过程的曲线。

5.参考实验四的步骤，改变设定温度值，记录在不同温度下的过程曲线。

6.用直流电机驱动泵向加热水箱打水作为扰动，并记录过程曲线。

实验五智能调节器的调试

一.实验目的

了解智能调节器的原理、功能、使用及参数的自整定；

二.实验设备

TKGK-1过程制实验装置：

GK-04、GK-07-2、AI-708智能调节器

三.实验原理

AI-708智能调节仪简介：

1）、特点与用途：

AI-708型仪表，具备0.2级精度，可编程输入，通过参数设置即可选择热电偶、热电阻、线性电阻和电压（电流）的输出，具备位式调节、AI人工智能调节、通讯、变送和上限、下限、正偏差、负偏差等报警功能，具有可编程模块化输出，支持时间比例（继电器触点开关、SSR电压、可控硅无触点开关及单相/三相可控硅过零触发信号等）和线性电流（包括0–10mA及0–20mA等）。

2）、主要参数功能说明：

●Ctrl（控制方式）：

Ctrl=0,采用位式调节，只适合要求不高的场合。

Ctrl=1，采用AI人工智能调节/PID调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。

Ctrl=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置3或4。

Ctrl=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后仪表自动进入该设置，在该设置下不允许从面板启动自整定参数功能，以防止误操作重复启动自整定。

Ctrl=4，该方式下与Ctrl=3时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。

●HIAL（上限报警）：

测量值大于HIAL+dF值时，仪表将产生上限报警。

测量值小于HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。

设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。

●LOAL（下限报警）：

测量值小于LOAL-dF时产生下限报警，当测量值大于LOAL+dF时下限报警解除。

设置LOAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。

●dHAL（正偏差报警）：

采用AI人工智能调节时，当正偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL+dF时产生正偏差报警。

当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。

设置dHAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

●dLAL（负偏差报警）：

采用AI人工智能调节时，当负偏差（测量值PV减给定值SV）大于dLAL+dF产生负偏差报警，当偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。

设置dLAL=9999时，负偏差报警功能被取消。

●dF（回差）：

回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生/解除。

Sn（输入规格）、CF（系统功能选择）、M5（保持参数），P（速率参数）等。

四.实验步骤

1、按图所示的方块图，完成实验系统的连线工作。

2、按实验原理中的说明，先对AI-708智能仪表进行参数和给定值的设置，然后打开GK-01上的加热开关，使系统投入自动运行。

3、以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内套加水。

4、用上位机采集实时数据并显示过渡过程曲线：

将AI-708的温度检测信号输出端“TT”接单片机控制屏GK-03的信号输入端“TT”；

设置单片机回路5参数St=2、CH=100、CL=0；

用串行通信线将GK-03与上位机相连，以便实验时观察过程的曲线。

5、改变设定温度值，记录在不同温度下的过程曲线。

6、用直流电机驱动泵向加热水箱打水作为扰动，并记录过程曲线。

五．实验报告

记录系统过渡过程曲线，分析系统的性能指标。

实验六、单容水箱对象测试法建模

一、实验目的

1）、通过实验熟悉单容水箱的模型。

2）、通过实验了解自衡特性。

3）、实测出单容水箱的阶跃响应曲线。

4）、确定出单容水箱模型对应的特征参数。

二、实验设备

1）、THGK-1型过程控制实验装置：

GK-04GK-06GK-07-2

2）、万用表一只

3）、秒表一只

4）、计算机系统

图6-1、单容水箱液位控制系统的方块图

图6-1为单容水箱液位控制系统。

减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。

而对模型的清楚认识以及建立合适的数学模型是控制的基础，建模主要有机理法建模和测试法建模两种方法，而阶跃响应曲线法建模使用最多。

阶跃响应曲线法是系统在开环运行状况下，待工况稳定后，通过调节器手动改变对象的输入信号（阶跃信号），如图6-2所示。

同时，记录对象的输出数据和阶跃响应曲线，然后根据给定对象模型的结构形式，对实验数据进行合理的处理，确定模型中的相关参数，单容水箱的液位数学模型可用一阶惯性环节来近似描述。

设水箱的进水量为Q10，出水量为Q20，水箱的液面高度为h0，阀门打开一定开度时，系统处于平衡状态。

假定某一时刻，阀门1突然开大∆μ1

根据物料动态平衡的关系，求得：

（∆Ql-∆Q2）/A=d∆h/dt

（6-1）

式（6-1）中，RS——阀门2阻力系数；

Kμ——阀门1比例系数；

μ1——阀门1的开度；

在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：

（6-2）

式（6-2）中，T=ARS为水箱的时间常数，K=KμRs为过程的放大倍数，也是阀门的液阻，A为水箱的底面积。

传递函数为：

当输入量μ1作一阶跃变化时，其输出（Δh）随时间变化的曲线。

时域表达式为

，称一阶惯性特性或单容特性。

当t=T时，有

（6-3）

式（6-3）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图6-3曲线所示。

由式（6-4）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：

图6-3阶跃响应曲线

上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。

式（6-2）中的K值由下式求取：

K=h（∞）/R0=输入稳态值/阶跃输入

四、实验内容与步骤

1）、按照图6-1的结构框图，完成系统的接线，并把PID调节器的“手动/自动”开关置于“手动”位置，此时系统处于开环状态。

2）、将单片机控制屏GK-03的输入信号端“LT1、LT2”分别接GK-02的传感器输出端“LT1、LT2”；

用配套通讯线将GK-03的“串行通信口”与计算机的COM1连接；

启动单片机控制屏GK-03，用单片机控制屏GK-03的键盘设置回路1和回路3的采样时间St=2，标尺上限CH=150；

然后用上位机控制监控软件对液位进行监视并记录过程曲线。

3）、利用PID调节器的手动旋钮调节输出，和出水阀开度调节输出，将被控参数液位稳定在5cm左右（建立自衡对象模型，注意**此处调整完成后，测试期间出水阀开度不能改动，不然对象模型就会发生改变）。

4）、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。

若已平衡，记录此时调节器手动输出值VO以及水箱水位的高度h1和显示仪表LT1的读数值并填入下表。

变频器输出频率f

手动输出Vo

水箱水位高度h1

LT1显示值

HZ

v

cm

5）、迅速增调“手动调节”电位器，使PID的输出突加10%，利用上位机监控软件记下由此引起的阶跃响应的过程曲线，并根据所得曲线填写下表。

t（s）

水箱水位

h1（cm）

LT1读数

（cm）

等到进入新的平衡状态后，再记录测量数据，并填入下表：

PID输出Vo

6）、将“手动调节”电位器回调到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。

填入下表：

7）、重复上述实验步骤。

五、实验报告要求

1）、简述自衡原理，实验中的单容水箱是否可以实现自衡？

实验中是否实现了自衡，为什么？

2）、作出一阶环节的阶跃响应曲线。

3）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。

六、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）、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。

3）、阶跃信号不能取得太大，以免影响系统正常运行；

但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。

一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。

4）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

七、思考题

1）、在做本实验