实验四,基本控制规律认识实验

实验四 四 基本控制规律认识实验 一、实验目的及要求 1.了解几种基本控制规律，掌握各个控制规律的特点和联系； 2.了解 PID 温度控制试验装置的构造及工作原理； 3.掌握 PID 调节实验的具体方法和操作。

二、实验原理 基本控制规律有位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）、比例积分微分控制（PID）。它们的基本性质见表 3-2-1。

表 3-2-1 基本控制规律及其适用场合 上述基本控制规律的控制器就是将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行

比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。一般控制器由比较环节、放大器和反馈环节三大部分组成，如图 3-2-1 所示。其中，反馈环节的作用是通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。

图 3-2-1 控制器基本构成 本实验上述几种控制规律由 PID 温度控制实验装置完成，对其调节相应参数，来进行各个控制规律的演示。该实验装置由 PR521-095 型 PID 调节试验温度源、计算机、通讯接口及温度 PID 调节试验软件组成。温度源主要由热元件、惯性金属块、测温热电偶、智能 PID 调节器及机壳等组成。智能 PID 调节器依据设定温度 SV、当前温度 PV 不断进行 PID 调节计算并输出调节信号，驱动执行机构（固态继电器 SSR）以调节供给加热元件的功率大小。智能 PID 调节器通过 RS-485 通讯口，与计算机通讯。在实验过程中，分别采用 P、PI、PID 等不同的控制策略，通过观察过渡过程的控制曲线来观察不同的 P、I、D 参数值的控制效果，认识相应的控制规律。

三、实验装置（一）实验所需仪器、设备 PR521-095 型 PID 调节试验温度源；计算机；通讯接口；温度 PID 调节试验软件。

（二）实验装置流程图 图 3-2-2 PID 温度控制实验装置图 1-PR521-095 型 PID 调节试验温度源；2-计算机 图 3-2-3 PID 温度控制实验原理图 四、实验内容及步骤（一）实验内容 1.认识 PID 温度控制实验装置，掌握 PID 调节器的操作方法。

2.了解 PID 调节试验软件。

3.学会通过调节 P、I、D 参数值来认识相应的控制规律。

（二）实验步骤 1.将温度源和计算机按实验装置图连接，温度源、计算机接通电源，开启设备。

2.进入 Windows 后，从“开始-程序”菜单选择“精密温度控制仪---温度控制”或者双击桌面上的“温度控制”图标，进入精密控温仪程序，如图 3-2-3 所示。启动后，软件首先对连接在 RS—485 通讯线上的各正常使用的智能仪表逐一进行自诊断，如图 3-2-4 所示。

图 3-2-3 精密控温仪程序进入界面 图 3-2-4 自诊断对话框 当“自诊断对话框”的通讯状态栏显示“正常”，工作状态栏显示“待命”或“运行中”，确认温度源PID 调节器已与计算机连通，点“返回”按钮进入主界面，显示的温度当前值与 PID 调节器的 PV 指示同步，如图 3-2-5 所示。以下的步骤均为针对该程序（软件）的操作，无需通过温度源上 PID 调节器按钮操作。

图 3-2-5 精密控温仪程序主界面 3.在仪表盘界面中在此仪表模型上点击鼠标右键，选择相应的菜单项进行更改某个仪表的相关参数，如图3-2-6 所示。

图 3-2-6 仪表操作图 该仪表操作（右键菜单）可进行以下菜单项操作：

① 更改当前仪表设定温度(SV)：更改仪表设定温度； ② 更改当前仪表 PV 偏移值(PV_BIAS)：更改仪表 PV 偏移值； ③ 启动自整定(AT ON):

④ 停止自整定(AT OFF): ⑤ 下载“SV PID 参数”：

弹出“区域 PID 参数表”，根据当前仪表设定温度下传 PID 参数； ⑥ 上传“SV PID 参数”：读出当前仪表的 PID 参数，并对当前仪表“区域 PID 参数表”进行更新。

4.输入（或确认）PID 参数：点击右键，选择下载“SV PID 参数”选项，调入 PID 参数列表，与下表所列参数逐一比较，有不同的，按下表参数修改，保证所有 PID 参数与下表一致。

图 3-2-7 区域 PID 参数 对于 PR521-095 型 PID 调节试验温度源，由于温度范围限制在（100～300）℃，属于较窄的范围，因此可不必考虑温区划分。

5.输入设定温度 SV：设定温度 SV 设为 250℃，观察 PID 调节器的 SV 指示，应随之变为 250℃，如图 3-2-8所示。

图 3-2-8 设定温度对话框 6.启动升温：按“启动”按钮，温度源开始升温，同时记录过程调节参数曲线，如图 3-2-9 所示。

图 3-2-9 仪表控温记录曲线

图中：温度曲线为红色；功率曲线为蓝色。

7.当温度到达并稳定调节在达 250℃后，等待、观察 2 分钟左右，证明所使用的 PID 参数的适应性。

图 3-2-10 仪表控温记录曲线 8.比例调节（P）实验：选择下载“SV PID 参数”选项，调入 PID 参数列表，将 I 值改为 6000，D 值改为0，作为纯比例状态。在此状态下边观察调节波形边调整比例带 P，若调节输出波形的震荡发散，则增大 P的值继续试验；若调节输出波形的震荡收敛，则减小 P 的值继续试验。

必要时需进行扰动，扰动的方法：

方法 1：关闭温度源加热开关 2～5 秒（时间长，扰动大），立即再接通，如图 A 点所示。

方法 2：将设定温度适当增加（或减小）1℃～5℃。

图 3-2-11 比例调节实验控温曲线

9.保持 I、D 不变的前提下，大幅度减小比例带 P 的试验：将比例带 P 改为原正常值的 1/10，稍加扰动，原本恒定的温度曲线和功率曲线变为震荡波形，且发散，说明 P 减小后反馈加深，引起强烈震荡，系统不稳定。若将 P 改为原正常值的 1/3～1/5，则从温度曲线和功率调节曲线上反映出波动（振铃），如图 3-2-12所示。

图 3-2-12 减小 P 的试验控温曲线 10.保持 I、D 不变的前提下，大幅度增加 P 的试验 将比例带 P 改为原正常值的 10 倍，稍加扰动，原本恒定的温度曲线会产生漂移失控，系统失去自动调节功能，调节量的跟踪变化能力太差，说明 P 增大后反馈变弱，以至于失控，系统同样也不稳定。

图 3-2-13 增大 P 的试验控温曲线 11.PI 调节实验：从 PID 参数表中，将微分时间 D 改为 0.0，观察后续的记录曲线。在稳态情况下，影响不明显，可用扰动试验并比较 PID 调节和 PI 调节在调节曲线上的差异。

图 3-2-14 PI 调节实验控温曲线 12.保持 P、D 不变的前提下，改变积分时间 I 的试验：分别在正常 PID 参数、I 改为原正常值的 1/10 及 I改为原正常值的10倍三种条件下, 通过关闭温度源加热开关3秒再接通的方式加入扰动，观察控温曲线（特别是功率曲线）的走势。积分时间 I 越小，消除净差的能力越强，反之亦然。过小的 I 也能引起系统的震荡。

图 3-2-15 I 调节实验控温曲线 13.实验结束，实验数据及控温曲线变化经指导教师检查合格后，将当前曲线数据导出到 Excel，关闭计算机和温度源电源，整理实验室，离开。

五、实验数据记录及处理（一）原始数据记录

表 3-2-2 原始数据记录参考表 基本控制规律认识实验 实验日期：

年 月 日 指导教师：

同组成员：

实验条件：室温 ℃；相对湿度 % 温度源型号 ； 原始数据记录 试验次数 温度 ℃ 比例带 P % 积分 T I s 微分 T D s 曲线趋势 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10（二）实验数据处理 1.列出实验过程中记录的数据和对应的控温曲线。

2.根据实验记录，分析各控制规律和不同控制参数下控温曲线。

六、思考题及讨论 1.结合各个实验控温曲线变化，讨论几种控制规律的特点及作用。

2.为什么采用功率变化作为输出信号，而不是温度。

3.分别讨论什么是比例带 P、积分时间 T I、微分时间 T D，试分析其对过程的影响。

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