1、本章開始進行控制系統(tǒng)設計。主要是單回路PID設計，其中PID參數(shù)的調(diào)整是一個非常麻煩的工作，同學們需要不斷總結經(jīng)驗。實驗1 單閉環(huán)流量控制實驗一、實驗目的1、掌握單回路控制的特點2、了解PI控制特點，以及對控制效果的評價。3、掌握通過調(diào)節(jié)閥控制流量的原理和操作。二、實驗設備A3000現(xiàn)場系統(tǒng)，任何一個控制系統(tǒng)。三、實驗原理與介紹1、單回路控制邏輯圖5-1 流量計流量定值控制實驗FT102定值FIC101FV101調(diào)節(jié)閥流量控制實驗邏輯關系如圖5-1所示。FIC指用于流量的調(diào)節(jié)器，這個調(diào)節(jié)器可能是智能儀表，也可以是計算機上的PID調(diào)節(jié)器，也可以是PLC中的PID調(diào)節(jié)器。類似的TIC就是用于溫度控

2、制的調(diào)節(jié)器。該控制邏輯是一個經(jīng)典的單回路流量控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是管道流量，即控制的任務是控制流量等于給定值所要求的大小。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋型單回路流量控制，采用PID控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預期效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定

3、好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。一般言之，用比例(P)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關。比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能(快速性、穩(wěn)定性等)。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應分別如圖5-2中的曲線、所示。 圖5-2 P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應曲

4、線本實驗暫時對PID控制的調(diào)節(jié)問題不涉及更多。2、控制系統(tǒng)接線表測量或控制量測量或控制量標號使用控制器端口流量FT102AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO03、實驗方案被調(diào)量為調(diào)節(jié)閥開度，控制目標是水流量，通過測量水流量，控制器與給定值進行比較，然后輸出控制值到調(diào)節(jié)閥。首先進行比例控制，看控制效果，進行比較。然后進行積分控制，看控制效果，進行比較。最后在比例控制中加入積分控制，看控制效果，進行比較。4、參考結果PI參數(shù)設定如下P=40，I=100，小數(shù)值D的影響不大?？刂魄€如圖5-3所示。圖5-3 調(diào)節(jié)閥流量控制曲線四、實驗要求1、使用比例控制進行流量控制，要求能夠得到穩(wěn)定曲線，以及震蕩曲線。2、使

5、用積分控制進行流量控制，要求能夠得到穩(wěn)定曲線。設定不同的積分參數(shù)，進行比較。五、實驗內(nèi)容與步驟1、在A3000-FS上，打開手動調(diào)節(jié)閥JV201、JV206，調(diào)節(jié)下水箱閘板開度(可以稍微大一些)，其余閥門關閉。2、在A3000-CS上，將電磁流量計輸出連接到AI0，AO0輸出連到電動調(diào)節(jié)閥上。3、打開A3000電源。在A3000-FS上，啟動右邊水泵。4、對控制器或調(diào)節(jié)器進行工作量設定(設定SP、P、I、D值)，并記錄控制曲線。暫時設定積分參數(shù)I=999999(一個很大的值，表示取消積分),D=0。注意，對于DCS，常規(guī)儀表等控制系統(tǒng)，比例系數(shù)指的是0%-100%的比例帶。與課本上的比例系數(shù)成

6、反比例關系。5、改變給定值和PID參數(shù)，再次記錄控制曲線。6、對控制器或調(diào)節(jié)器進行工作量設定，把比例控制，微分控制取消，直接積分控制。7、改變給定值和PID參數(shù)，再次記錄控制曲線。8、實驗結束后，關閉閥門，關閉水泵。關閉全部電源設備，拆下實驗連接線。六、思考問題分析對于流量和壓力這樣的快速系統(tǒng)，使用ADAM4000來控制是否合適。系統(tǒng)的響應時間和控制器的采樣計算時間是否有一個滿足的條件。分析如果使用變頻器控制流量，如何設計控制流程。七、實驗結果提交1、通過抓圖方法，提交獲得的曲線。2、根據(jù)曲線，分析P，PI控制大致具有哪些趨勢特征。實驗2 單容水箱液位定值控制實驗一、實驗目的1、通過實驗熟悉單

7、回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設備A3000現(xiàn)場系統(tǒng)，任何一個控制系統(tǒng)，萬用表三、實驗原理1、控制系統(tǒng)結構單容水箱液位定值(隨動)控制實驗，定性分析P, PI，PD控制器特性?？刂七壿嬋鐖D5-4所示：LT103圖5-4 單容下水箱液位定值控制實驗QohQiLIC101FV101給定值干擾水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u控制，流出量Qo則由用戶通過負載閥R來改變。被調(diào)量為水位H。使用P,PI , PID控制，看控制效果，進行比較?？刂撇呗允褂肞I、PD、PID調(diào)節(jié)。 實際上，可以通過

8、控制連接到水泵上的變頻器來控制壓力，效果可能更好。2、控制系統(tǒng)接線表測量或控制量測量或控制量標號使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0調(diào)節(jié)閥FV101AO0AO03、參考結果下閘板頂?shù)借F槽頂距離(開度)5-6mm。比例控制器控制曲線如圖所示。多個P值的控制曲線繪制在同一個圖5-5上：圖5-5 比例控制器控制曲線從圖可見P=16時，有振蕩趨勢，P=24比較好。殘差大約是8%。PI控制器控制曲線如圖5-6所示。選擇P=24，然后把I從1800逐步減少。圖 5-6 PI控制器控制曲線如圖5-6所示，在這里I的大小對控制速度影響已經(jīng)不大。從I=5時出現(xiàn)振蕩，并且難以穩(wěn)定了。I的

9、選擇很大，8-100都具有比較好的控制特性，這里從臨界條件，選擇I=8到20之間。PID控制器控制曲線如圖5-7所示：圖5-7 PID控制器控制曲線P=24,I=20,D=2或4都具有比較好的效果。從控制量來看，P=24,I=8,D=2比較好。ADAM4000模塊控制的結果如圖5-8所示。圖5-8 ADAM4000模塊控制效果從圖可見，P=4，I=8000，D=2000控制效果是最好的。四、實驗要求1、使用比例控制進行單溶液位進行控制，要求能夠得到穩(wěn)定曲線，以及震蕩曲線。2、使用比例積分控制進行流量控制，要求能夠得到穩(wěn)定曲線。設定不同的積分參數(shù)，進行比較。3、使用比例積分微分控制進行流量控制，

10、要求能夠得到穩(wěn)定曲線。設定不同的積分參數(shù)，進行比較。五、實驗內(nèi)容與步驟1、系統(tǒng)連接(1)在A3000-FS上，打開手動調(diào)節(jié)閥JV201、JV206，調(diào)節(jié)下水箱閘板開度(可以稍微大一些)，其余閥門關閉。(2)在A3000-CS上，將電磁流量計輸出連接到AI0，AO0輸出連到電動調(diào)節(jié)閥上。(3)打開A3000電源。在A3000-FS上，啟動右邊水泵。(4)啟動計算機組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應的實驗。啟動調(diào)節(jié)器，設置各項參數(shù)，可將調(diào)節(jié)器的手動控制切換到自動控制。2、比例調(diào)節(jié)控制。(1)設置P參數(shù)，I參數(shù)設置到最大，D=0。觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實驗

11、。(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號(在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現(xiàn))。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。(3)減小P重復步驟1，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。(4)增大P重復步驟5，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。(5)選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設定值(如設定值由50變?yōu)?0)，同樣可以得到一條過渡過程曲線。注意：每當做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。3、比例積分調(diào)節(jié)器(PI)控制(1)在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎上，加入積分作用，即把“I”(積分器)由最大處設定到中間某一個值，觀察被控制量是否能回到設定值

12、，以驗證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。(2)固定比例P值(中等大小)，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量p。表二、不同Ti時的超調(diào)量p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量p(3)固定于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量p。表三、不同值下的p比例P大中小超調(diào)量p(4)選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值(如設定值由50%變?yōu)?0%)來獲得。4、比例積分微分調(diào)節(jié)(PID)控制(1)在PI調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎

13、上，再引入適量的微分作用，即把在儀表上設置D參數(shù)，然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應的動態(tài)曲線，并與實驗(二)PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。(2)選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線(階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現(xiàn))。(3)在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。5、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù) (1)在實現(xiàn)應用中，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：(2)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度(即1/P)，

14、并且每當減小一次比例度，待被調(diào)量回復到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應繼續(xù)減小比例度，直到輸出響應曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應適當增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖5-9為它的實驗方塊圖。圖5-9 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)(3)在圖5-10所示的系統(tǒng)中，當被調(diào)量作等幅蕩時，此時的比例度就是臨界比例度，用k表示之，相應的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表可確定PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)、Ti和Td。 圖5-10 具有周期TK的等幅振蕩表5-2-1 用臨界比例度k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk(4)必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設計，因為它是根據(jù)大量實驗而得出的結論。若要就得更滿意的動態(tài)過程(例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1地衰減振蕩)，則要在表格給出