东南大学过程控制实验报告五.docx

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东南大学过程控制实验报告五

东南大学自动化学院

实验报告

课程名称：

过程控制

第五次实验

实验名称：

过程控制策略实验

院（系）：

自动化专业：

自动化

姓名：

学号：

同组人员：

实验时间：

2017年6月3日

评定成绩：

审阅教师：

一．实验目的··························································3

二．实验内容··························································3

三．实验步骤··························································3

四．实验记录··························································3

五．思考题····························································8

一、实验目的

1、了解PID控制参数对控制性能的影响，掌握人工整定PID参数的方法；

2、掌握调节器的参数设置方法。

二、实验内容

1、临界比例度法对PID参数整定；

2、测试不良比例带对闭环系统过度过程的影响；

3、测试不良积分时间对闭环系统过度过程的影响。

三、实验步骤

1、掌握PID控制基本型的工作原理及其特点，打开力控组态软件的运行系统，进入相应的实验画面，打开历史趋势曲线画面进行曲线记录；

2、学会PID控制器参数整定方法；

3、熟悉各种PID改进型的实际应用，并与基本型进行分析比较将3#调节器设为自动，其他参数设置如下：

LEVEL1设置：

（1）输出限幅OUTL=100%

（2）AT=NO（非自整定）

LEVEL2设置：

比例带P1

积分时间Ti

微分时间Td

将2#调节器设为手动，LEVEL1设置：

输出限幅OUTL=50%（参考值）；

4、按照临界比例度的整定方法对参数进行整定，将整定完成后的参数投入运行，观察记录曲线；

5、在整定完最佳的PID参数的基础上，较大幅度地增、减3#调节器的比例带，测试其在给定值阶跃扰动或对象阶跃扰动下，自动（闭环）系统中锅炉液位过渡过程曲线；

6、在整定完最佳的PID参数的基础上，较大幅度地增、减3#调节器的积分时间，测试其在给定值阶跃扰动或对象阶跃扰动下，自动（闭环）系统中锅炉液位过渡过程曲线。

四、实验记录

单回路调节接线图如下图1：

图1

将PI参数初值设小，将液位手动调到平衡

图2

经过参数调节，发现控制出口调节阀给扰动，系统很难稳定，持续减小

图3

P=100,I=5时，基本能在小范围内波动

图4

由于等幅震荡，可能是P过大，于是将P减小

图5

将P改为1，发现液位依旧在上下35波动

图6

最终参数调为P=20，I=5，D=1，液位在小范围内波动，基本稳定

图7

给系统一个阶跃信号，得到的曲线如下图8：

图8

从上图中可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态。

超调量为：

如果忽略扰动，基本上是没有静差的。

系统受到扰动时的恢复过程曲线如下：

图9

通过曲线我们可以看到，在突加扰动的情况下，系统也能很快进入稳态状态。

说明控制系统较为稳定

五、思考题

1、说明模拟PID和数字PID的设计思路和区别；

模拟PID控制是在现场安装的利用DDZII或者DDZIII型表再加上其他气动仪表的模块，对现场控制变量的模拟信号利用旋钮或拨盘对PID的三个值进行设定对或者手动控制输出的系统，其信号均为模拟信号。

需要模拟器件完成的，是早期的PID控制。

数字PID控制就是把现场的控制变量的模拟信号和对现场受控变量的输出信号均转换成了数字信号，PID的实现也是通过数字信号的设定来完成的。

现在大多在DCS、PLC系统内完成的。

数字控制器的硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人/机接口电路以及通信接口电路等构成。

数字PID

数字控制系统结构图如下：

数字PID结构图如下：

数字PID控制器硬件图：

随着处理器芯片的运算速度不断提升，更多的PID采用数字控制。

区别：

数字适合需要复杂计算的控制对象，调节分辨率高。

数字PID是处理器芯片不停地运算PID算法，连续把结果输出，如果想更改某些参数时，无需修改硬件，只需修改软件即可，所以灵活性强。

模拟的可靠性要比数字高，调节速度快。

模拟PID是根据算法确定元器件的型号和参数，比如多大电容、多大电阻等等，然后制作模拟电路，调试后固定不变，所以灵活性差；

2、数字PID调节器系统时钟、采样周期、执行周期的区别；

采样周期是对信号进行采样，两次相邻采样的间隔时间。

时钟系统，是由振荡器（信号源）、定时唤醒器、分频器等组成的电路。

常用的信号源有晶体振荡器和RC振荡器。

系统时钟即分频后得到的时钟信号。

而执行周期是指一条指令从开始执行到执行完毕之后需要的用时。

3、说明算法（规律）和参数的作用；

比例作用是指调节仪表的输出（y）与输入偏差（xe）成比例关系，即y=Kp•xe或传递函数为W（s）＝Kp式中Kp——比例增益；P——比例度（或比例带）。

比例作用动作迅速，但调节结果会造成余差。

积分作用是指调节仪表的输出与输入偏差的积分成比例关系，即式中，TI为积分时间．由于积分作用是随时间积累而逐渐增大的，故调节动作缓慢，但只要偏差存在，其输出总会不断变化，直到消除偏差为止。

所以积分作用能消除余差。

微分作用是指调节仪表的输出与输入偏差的变化速度成比例关系式中，TD为微分时间。

微分作用较比例作用更为迅速，即使偏差很小，只要出现变化趋势，即有调节作用输出，故有“超前”调节之称。

不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用。

三种调节作用的阶跃响应特性.由于理想微分的输出量过大，而作用时（a）比例作用；（b）积分作用；（c）微分作用（实际）间又很短，故对系统并无好处。

在工业上通常使用实际的具有微分作用的调节规律。

提高PID控制器中的比例环节Kp，可以提高系统的稳态精度，加快响应速度，但是Kp过大会导致系统超调量过大，稳定性减弱。

积分环节Ki可以使系统输出无静差，但是系统的稳定性下降，响应速度变慢，微分环节可以加快系统的响应速度。

4、试拟定PID调节的整定步骤及记录事项；

使用衰减曲线法的PID参数调节方法：

首先采用比例控制，使Kp从0连续增加，直到系统出现4:

1的衰减震荡。

（衰减比为系统输出响应中第一、二次超调之比），记下此时的增益值Kr，并测出此时的震荡周期Pr，则采用PID控制的参数为：

Kp=1.25Kr，Tr=0.3Kr，Td=0.1Pr。

5、试说明A/D采集器与控制精度的关系；

A/D采集卡位数越高，控制精度越高。

模拟量到数字量的转换需要经过采样、量化、编码三个步骤，而量化误差就取决于A/D转换器的位数。

6、是说明运算值（AD值）与显示值的关系，以及量程如何标定的方法。

A/D值决定了显示值的精度。

下图中的A/D过程中信号的转换图可以很形象的说明A/D值与显示值的关系：