实验1：调节器PID特性.doc

控 制 仪 表 与 装 置 实 验 指 导 书 调 节 器 PID 特 性实验一、调节器PID特性一、实验目的1. 进一步理解电动III型调节器工作原理，了解调节器内部结构和使用方法。2. 理解PID调节规律，掌握调节器阶跃偏差作用下开环PID输出特性。3. 了解调节器各功能开关和相关电位器的作用。 二、实验设备1. DDZ-III调节器一台：ICE（5241-3502）基本型全刻度指示调节器。2. 信号发生器一台或两台：产生15V DC、420mA DC信号。3. 无纸记录仪一台：BT810A，用来观察DDZ-III型调节器的开环PID输出特性曲线。4. 直流毫安表一只：测量调节器输出420mA DC电流。5. 稳压电源一台：给调节器提供24V DC电源。6. 电阻箱一只：调节器负载电阻（典型值250），且将调节器输出电流转换为15V电压作为无纸记录仪的输入信号。三、DDZ-III基型调节器1. 基型调节器工作原理及构成电动三型调节器按调节器的功能分为基本型调节器和特种调节器，基本型调节器又分为全刻度指示调节器和偏差指示调节器。它们对来自变送器的15V DC测量信号与给定信号比较产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，经电压-电流转换电路，输出标准的420mA DC电流调节信号，驱动执行器动作，实现对被控变量的自动控制。全刻度指示调节器同时显示测量信号和给定信号、输出信号，具有内外给定、软硬手操、正反作用切换等功能。基本型调节器组成框图如图1所示。 测量值示 给定值示 指示单元 控制单元硬手操电路测量信号指示电路给定信号指示电路 H输出电路PD电路PI电路输入电路Ui A K2 IO15v M软手操电路 K1250Is外 Us外 Us内 420mA 15v 图1：基本型调节器组成框图基本型调节器由指示单元和控制单元两大部分组成。指示单元包括测量信号指示电路和给定信号指示电路，将以零伏为基准的15V测量信号和给定信号（内给定信号为15V，外给定420mA的电流信号经内部250的精密电阻转换成15V的电压信号），转换成15mA的直流电流，由动圈表指示。控制单元由输入电路、PD电路、PI电路、电压-电流转换电路及软手操和硬手操电路组成。2. 四种工作状态 调节器有“自动”、“软手操”、“硬手操”和“保持”四种工作状态。自动状态，自动进行PID运算；软手操状态，可扳动软手操拨盘（扳键），通过软手操电路缓慢改变输出电流的大小（按指数规律上升或下降）；保持状态，在软手操时松开软手操拨盘（扳键），输出电流将保持不变；硬手操状态，改变硬手操拨盘（操纵杆）位置，通过硬手操电路使输出电流迅速地改变到所需要的数值。“自动 软手操”、“硬手操软手操”是无平衡无扰动切换。只有“自动或软手操硬手操”切换时必须预先调平衡，方可实现无扰动切换。在输入电路中改变偏差的极性，可以实现正、反作用的切换。 3. 调节器三大参数 基型调节器可以实现P、PI、PD、PID多种调节规律。通过三大参数（比例度或P、积分时间TI、微分时间TD）的设置，可以改变控制规律以及控制作用的强弱，满足调节系统的实际需要。. 比例调节：TI（调节器上实际为最大10，近似认为没有积分作用，实际上积分作用很弱），TD0（关），积分项和微分项均不起作用，则为P（比例）调节。通过改变比例度电位器的阻值，实现2%500%比例度的调整。. 比例积分调节：TD0（关），微分项不起作用，则为PI（比例积分）调节。通过 改变积分时间电位器的阻值，实现0.0125分种（两档）积分时间的调整。. 比例微分调节： TI（调节器上实际为最大10，可近似认为积分项不起作用，实际上积分作用很弱），则为PD（比例微分）调节。通过改变微分时间电位器的阻值，实现0.0410分钟微分时间的调整。四、调节器的调节特性1. 比例调节规律（P） (t)比例调节规律时，调节器的输出变化量与输入偏差成比例，在时间上没有延迟。其开环输出 A特性如图2所示。比例增益Kp是调节器输出变化 t量y(t)与输入偏差变量(t)之比。在相同偏差输入下，Kp越大，输出变量也越大。因此，Kp是 y(t)衡量比例调节作用强弱的因素。工业生产中所用的调节器，一般都用比例度（或P）来表示比 AKp例作用的强弱。在DDZIII型调节器中（1/Kp） 100。越小比例调节作用越强，越大比 t例调节作用越弱。因此，比例度是描述比例作 图2：阶跃偏差作用下用强弱的物理量。 比例调节的开环输出特性2. 比例积分调节规律（PI）具有积分调节规律的调节器，其输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差存在时间的长短。只要偏差存在就有积分输出，能够克服余差。在幅度为A的阶跃偏差作用下，积分调节器的开环输出特性如图3所示（实际积分调节按指数规律变化）。积分时间TI越小，直线的越陡峭，说明积分作用越强；积分时间TI越大，积分作用越弱。因此，TI是描述积分作用强弱的物理量。积分调节规律在工业生产中很少单独使用，都是将比例作用与积分作用组合成比例积分调节规律来使用。 (t) (t) A A t t y(t) y(t) KpA t t 图3：阶跃偏差作用下 图4：阶跃偏差作用下积分调节开环输出特性 比例积分调节开环输出特性比例积分调节规律是比例作用与积分作用的叠加，在阶跃正偏差作用下比例积分调节器的开环输出特性如图4所示。当偏差的阶跃幅度为A时，比例输出立即跳至KpA，尔后积分输出随时间线性增加（近似线性，实际按指数规律增加）。3. 比例微分调节规律（PD）微分调节规律，调节输出信号只与偏差的变化速率有关，而与偏差是否存在无关。即偏差固定不变时，无论偏差的大小如何，微分作用都没有输出。因此微分调节规律必须与比例或比例积分调节规律结合使用。在幅度为A的阶跃正偏差作用下，实际比例微分（PD）调节器的开环特性如图5所示。在偏差阶跃跳变的瞬间，输出跳变的幅度为比例输出的KD倍即KpKDA，然后按指数规律下降，当t趋向于无穷大时仅有比例输出KpA。决定微分作用强弱的因素有两个，即KD（微分增益）、TD（微分时间），对于DDZ-III型调节器KD等于10，因此用微分时间TD来衡量微分作用的强弱。微分时间TD越大，微分输出下降得越慢，持续的时间越长，微分作用越强；反之，微分时间TD越小，微分输出下降得越快，微分作用越弱。 (t) (t)A A t t y(t) 图5：阶跃偏差作用下 y(t) 图6：阶跃偏差作用下比例微分调节开环输出特性 比例积分微分调节开环输出特性 KpA t t4. 比例积分微分调节规律（PID）在幅度为A的阶跃偏差作用下，比例积分微分调节器的开环输出特性如图6所示，是比例、积分、微分三部分的叠加。五、调节器面板、背面接线端子及无纸记录仪的使用说明1. 调节器正面面板、右侧面板及后背接线端子 调节器正面面板如图7所示，右侧面板如图8所示，后背接线端子如图9所示。 外给定指示灯 测量值指针（红针） 刻度盘 内给定拨盘 给定值指针（黑针） 自动、软手操、硬手操切换开关 硬手动拨盘 阀位表 软手动拨盘 图7：调节器正面面板示意图 内外给定切换开关 内给定 外给定 微分时间拨盘 测量-校正切换开关 测量 校正 比例度拨盘 积分时间 积分时间 积分时间拨盘 1挡 10挡 正作用 反作用 正反作用切换开关 右侧前面板 右侧后面板图8：调节器右侧面板示意图 + L1 L2Is外 外给定电流420mA - +Vi 测量值（电压） Io 输出电流信号，420mA DC 15V - +电源24V DC- 图9：调节器后背接线端子图 2. 无纸记录仪使用说明本实验使用BT810无纸记录仪，主要用于观察、记录调节器的输出变化曲线。可以接受05V DC、15V DC、01V DC、0.21V DC、热电阻、热电偶等信号，记录时间间隔可以为1秒5小时，它们均根据需要进行设置。实验中使用15V DC输入信号（将调节器输出电流通过250电阻转换），记录时间间隔为2秒，这些参数已经设置完成。 电源：220V交流，使用、端子。信号输入：使用、端子，为正、为负。 该无纸记录仪在正常显示状态下，可以在主测控画面、实时曲线及历史记录查询画面、简明浏览画面、全通道集中显示画面、极值显示画面等多种画面下切换。本实验使用实时曲线及历史记录画面。 正确接线通电后自动进入正常显示状态的主测控画面，在该画面下按“”键进入实时曲线及历史记录查询画面，如图10所示。一个时间段的记录可以有多个连续的页面，在此画面下可以按页面查询或按点查询（查询某一时刻的数据）。 CH1：1 POINT： 4.500 PAGE： T IMEF4.500 4.200 0.01ALM 1.000 09-04-12 102500 104000 按日期查询 （与本实验无关）当前时间段最大坐标值 当前时间段最当前时间段设定值 大座标值标线（与本实验无关）当前时间段记录分辨率 游标线当前时间段报警状态（与本实验无关）当前时间段最小坐标值 当前时间段最 小座标值标线当前日期 当前时间段记录曲线 当前记录起始时刻 当前记录终点时刻 在查询历史记录时，显示游标位置时间 图10：实时曲线及历史记录查询显示画面. 测量值：在实时显示状态下，该处显示当前的实时测量值（即曲线最右端的数值）。 在点查询状态下，该处显示游标线与记录曲线交叉点的数据。 . 按页面查询选项PAGE：使用“”“”按键移动光标，当光标停留在“PAGE：”项，按“SET”键确认，后跟符号将由“”变为“”。 ：表示禁止页面查询。 ：表示允许按页查询。此时按“”“”键，可以前后翻页；按“SET”键退出按页查询状态，后跟符号将由“”变为“”。. 按点查询选项POINT：使用“”“”按键移动光标，当光标停留在“POINT：”项，按“SET”键确认，后跟符号将由“”变为“”。 ：表示禁止按点查询。 ：表示允许按点查询。此时按“”“”键可以前后移动游标线，每按一次移动一个记录点，长按可以快速移动游标线。此时，画面底部右侧显示游标位置的时间，画面顶部左侧显示该点的数据。“SET”键退出按点查询状态，后跟符号将由“”变为“”。本实验主要观察调节器的开环输出特性曲线，可根据需要按点查询某一时刻的数据。六、实验装置实验装置如图11所示。 220V AC 无 纸记录仪IO 420mA 信 号发生器 调 节 器 15V DC Vi 15V 250 420mA DC IS外直 流稳压源直 流毫安表信 号发生器 24V DC 220V AC 图11： 实验装置示意图 利用信号发生器提供15V DC测量信号(Vi)和420mA DC外给定电流信号(Is外)，测量信号Vi与给定信号（内给定或外给定电压信号）比较得到偏差，调节器对偏差进行PID运算后输出电流调节信号。本实验中调节器输出信号通过电流表观察，并由无纸记录仪记录变化曲线，根据需要可以查看某一时刻的数据。1. 信号发生器：提供15V DC测量信号(Vi)；提供420mA DC外给定电流信号(Is外)。 220VAC供电。2. 调节器输出(Io)：420mA，串接电阻箱和直流毫安表，无纸记录仪与电阻箱并联。直流毫安表：用于测量实际输出电流的大小，可以观察输出电流的连续变化。电阻箱：作为调节器负载，250。同时转换为15V DC信号，作为无纸记录仪的输入信号。3. 稳压电源：提供24V DC作为调节器电源。4. 无纸记录仪：用来记录、观察DDZ-III型调节器的PID特性曲线。七、实验内容及步骤1. 实验中位置不变的功能切换开关及信号测量-校正（MEAS/METER CHECK）切换开关：放在“测量”位置。正-反作用（INC/DEC）切换开关：放在“正（INC）”作用位置。调节器输入大小不变的信号：调整测量信号Vi 3.00V，内给定信号Vs内3.00V。2. 比例作用（P）通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下、不同比例度时开环比例输出特性曲线（取P刻70%、300%两个点）. 让调节器只有比例作用微分时间：TD关（无微分作用）。积分时间：理论上TI（无积分作用），此时将调节器的积分时间放在最大（大于2.5分）10位置，可近似认为没有积分作用。. 调整外给定电流内-外给定切换开关：放在“内给定”位置。调节功能切换开关：放在“手动I（MAN，软手操）”位置。改变外给定电流：IS外8.00mA。此时Vs外2.00 V。即ViVs外3.002.00 1.00 V ，而该偏差并未加入（因在“内给定”状态， 而ViVs内3.00V，实际偏差为零）。这一步是为后面加入阶跃偏差做准备。. 观察 P刻75%时调节器开环比例（P）输出特性曲线. 将比例度刻度盘调在P刻=70%。. 调整输出电流初始值内-外给定切换开关：放在“内给定”位置。调节功能切换开关：放在“手动I（MAN，软手操）”位置。调输出初始电流：由于调节器在手动I（MAN,软手操）状态，输出与偏差无关。扳动软手操拨盘使得输出电流初始值Io初4.00mA，再松开软手操拨盘，此时输出电流将保持在4.00mA。. 观察比例输出特性曲线调节功能切换开关，从“手动I”切换到“自动”位置：因当前内-外给定切换开关在“内给定”位置，而ViVs内3.003.00 0.00V即偏差为零，输出电流不会改变，仍为4.00mA。内-外给定切换开关，从“内给定”切换到“外给定”位置：在“内给定”时，偏差等于零；当切换到外给定时，ViVs外3.002.00 1.00 V的阶跃偏差加入，输出电流在初始值的基础上按比例规律变化（与偏差同步比例增大）。 . 观察 P刻300%时调节器开环比例（P）输出特性曲线重复，只是改变比例度刻度值。. 绘制不同比例度时调节器开环比例（P）输出特性曲线通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下，不同比例度P刻时的P调节输出特性曲线，在实验报告中画出相应的P输出特性曲线图。 3. 比例积分作用（PI）通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下，P刻100%时不同积分时间的开环比例积分输出特性曲线（取TI刻1分、2.5分两个点）。. 让调节器只有比例积分作用微分时间：TD关（无微分作用）；比例度：P刻100。. 调整外给定电流方法与2. 相同在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态改变外给定电流，IS外8.00mA，此时相当于外给定电压为2.00V。IS外与实验内容2相同，实际上不必调整。. 观察 TI刻1分、P刻100时调节器开环PI输出特性曲线. 将积分时间刻度盘调在TI刻1分上。. 调整输出电流初始值在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态下，扳动软手操拨盘使得输出电流初始值Io初4.00mA，再松开软手操拨盘。方法同2.。. 观察PI输出特性曲线调节功能切换开关，从“手动I”切换到“自动”位置：因当前内-外给定切换开关在“内给定”位置，而偏差为0.00 V，输出电流不会改变，仍为4.00mA。内-外给定切换开关，从“内给定”切换到“外给定”位置：在“内给定”时，偏差等于零；当切换到外给定时，ViVs外3.002.00 1.00 V的阶跃偏差加入，输出电流在初始值的基础上按比例积分规律变化（先与偏差同步比例增大，然后再积分逐渐增大），通过无纸记录仪观察调节器输出特性曲线。. 观察TI刻2.5分、P刻100时调节器开环PI输出特性曲线重复，只是改变积分时间刻度值TI刻。. 绘制不同积分时间、P刻100时调节器开环PI输出特性曲线通过无纸记录仪观察到在同一阶跃偏差作用下，同一比例度、不同积分时间TI刻时的PI输出特性曲线，在实验报告中画出相应的PI输出特性曲线图。4. 比例微分作用（PD）通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下，P刻100%时不同微分时间的开环比例微分输出特性曲线（取TD刻5 分、10分两个点）。. 让调节器只有比例微分作用积分时间：理论上当积分时间趋于（无积分作用）。此时将调节器的积分时间放在最大（大于2.5分）10位置，可近似认为没有积分作用。比例度：P刻100。在实验第三步已经调好，不必再改变。. 调整外给定电流在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态改变外给定电流，IS外11.00mA。此时相当于外给定电压为2.75V，方法与实验内容2.相同。此时外给定并未加入，因为在“内给定”状态。. 观察TD刻5分、P刻100时调节器开环PD输出特性曲线. 将微分时间刻度盘调在TD刻5分上。 . 调整输出电流初始值在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态下，扳动软手操拨盘使得输出电流初始值Io初4.00mA，再松开软手操拨盘。方法同2.。. 观察PD输出特性曲线 调节功能切换开关，从“手动I”切换到“自动”位置：因当前内-外给定切换开关在“内给定”位置，偏差为 0.00 V，输出电流不会改变，仍为4.00mA。将内-外给定切换开关，从“内给定”切换到“外给定”位置：在“内给定”时，偏差等于零；当切换到外给定时，0.25V的阶跃偏差将加入，输出电流在初始值的基础上按比例微分规律变化（先与偏差同步跳变增大到某一数值，然后微分衰减，最后终止于比例输出值）。通过无纸记录仪观察比例微分PD调节的输出特性曲线。. 观察TD刻10分、P刻100时调节器开环PD输出特性曲线重复，只是改变微分时间刻度值TD刻。注意：要给微分电容放电。. 绘制不同微分时间、P刻100时调节器开环PD输出特性曲线通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下，同一比例度、不同微分时间TD刻时的PD输出特性曲线，在实验报告中画出相应的输出特性曲线图。5. 比例积分微分作用（PID）通过无纸记录仪观察同一阶跃偏差作用下，在比例度P刻100时不同积分时间、微分时间的PID输出特性曲线（取TI刻0.5分、TD刻1分；TD刻1分、TD刻3分两个实验点）。. 调整外给定电流方法与4. 相同在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态改变外给定电流，IS外11.00mA。此时相当于外给定电压为2.75V。此时外给定并未加入，因为在“内给定”状态。IS外与4. 完全相同,已经调整好，实际上不必调整。. 观察TI刻0.5分、TD刻1分、P刻100时的PID输出特性曲线. 将积分时间刻度盘调在TI刻0.5分，微分时间刻度盘调在TD刻1分。. 调整输出电流初始值在“内给定”、“手动I（MAN，软手操）”状态下，扳动软手操拨盘使得输出电流初始值Io初4.00mA，再松开软手操拨盘。方法同2.。. 观察PID输出特性曲线 调节功能切换开关，从“手动I”切换到“自动”位置：因当前内-外给定切换开关在“内给定”位置，而Vi Vs