控制理论实验讲义.doc

自动控制理论基础实 验 讲 义程万里 编过程装备与控制工程教学组2011.11目 录实验须知实验一 温度控制系统实验（一）实验二 温度控制系统实验（二）实 验 须 知1 必须自始自终以认真和科学态度进行实验。2 实验课不能迟到，实验期间不得擅自离开岗位。3 切实注意安全，不得穿背心和拖鞋进入实验室。在连接线路时应先切断电源，不许带电操作。4 为了顺利地进行实验和取得好的实验效果，必须认真预习，写出预习报告，若指导教师发现有同学尚未预习，则不准其参加实验。5 实验中如发生异常现象或事故，必须立即切断电源，并保持现场，即及时报告教师，共同处理。6 要爱护公物，不得擅自拆开仪器仪表，非本实验仪器设备不得随便动用。7 实验完成后，应切断电源，整理好一切仪器设备，并把原始记录交教师签字，经允许后方可离开实验。8 实验后，每人应独立完成实验报告，报告与原始记录军按教师规定的时间上交。实 验 一温度控制系统（一）一、实验目的与要求（1）了解温度控制系统的组成环节和各环节的作用；（2）掌握温度控制器的使用方法；（3）观察比例、积分、微分控制规律的作用，并比较其稳态误差及稳定性；（4）观察比例度、积分时间TI、微分时间TD对控制系统（闭环特性）控制品质的影响，并进行综合分析。 二、实验内容（1）在相同扰动作用下，作出两条不同比例度的纯比例温度控制动态曲线，综合分析比例度对控制系统的影响。（2）在相同扰动作用下，作出两条相同比例度不同积分时间的比例积分温度控制动态曲线，分析积分时间对控制系统的影响（3）作出比例积分微分温度控制动态曲线，综合分析微分时间对控制系统的影响。（4）观察小比例度时的温度两只动态曲线，综合分析原因。 三、实验装置电动温度控制系统是过程控制系统中常见的一种，其作用是通过一套自动控制装置，见图1-1，使炉温自动维持在给定值。 图1-1 温度控制系统炉温的变化由热电偶测量，并通过电动温度变送器转化为DDZ-型表的标准信号010mA直流电流信号，传送到电子电位差计XWC进行记录，同时传送给电动控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通过预定控制规律的运算后，输出010mA直流电流信号给可控硅电压调整器ZK-50，通过控制可控硅的导通角，以调节加到电炉（电烙铁）电热元件上的交流电压，消除由于干扰产生的炉温变化，稳定炉温，实现自动控制。 四、操作要点以下用到的1，2，TI 1，TI 2，TD1实验室提供1 观察比例与积分控制规律的作用（1） 考察比例作用将置于某值1 ，记住旋钮在1的位置 ， 积分时间置最大（TI =max），微分开关切向0，将干扰开关从“短”切向“干扰”，产生一个阶跃干扰（此时为反向干扰），同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察并记录在纯比例作用下达到稳定的时间及稳态误差大小。（2） 考察积分作用保持=1不变，置TI =TI 1，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录积分作用加入的时刻，注意观察积分作用如何消除稳态误差，直到过程基本稳定。2 观测PI控制作用下的动态过程保持1，TI 1不变，将干扰开关从“干扰”切向“短”，产生一个正向阶跃干扰，观察动态过程到基本稳定。3 考察对稳态误差的影响置=2 ，TI =max ，将干扰开关从“短”切向“干扰”，产生一个反向阶跃干扰，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察并记录在纯比例作用下达到稳定的时间及稳态误差大小。 并与1（1）中=1 时的稳态误差相比较。再加入积分作用TI =TI 1 以消除稳态误差直到过程基本稳定。4 考察TI 对动态过程的影响置=1 ，TI =TI 2 ，将干扰开关从“干扰”切向“短”，产生一个正向阶跃干扰，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察动态过程到基本稳定，并与2中的实验结果进行比较，以了解TI 对动态过程的影响。注意：要在同样条件下才能进行比较，即旋钮的位置要与2中的位置完全一致，才能保证此时的1 与2中的1 是相等的5 观测PID控制作用下的动态过程保持=1 ，TI =TI 2 不变，置TD=TD1 ，微分开关切向D ，将干扰开关从“短”切向“干扰”，观察动态过程，等待过程稳定后并与PI控制作用下的动态过程进行比较。6 考察对稳定性的影响将减小到1， TI =max，微分开关切向0，观察动态过程波动曲线。五、注意事项 （1）通电前应确认各个仪器的正常。（2）实验中注意安全，不能身体的任何部位接触背部的电源线的位置。（3）注意控制器的比例度、积分时间、微分时间的刻度的非线性，正确估读。 （4）在实验过程中每个操作及参数应及时记录在记录纸上。实 验 二温度控制系统（二）一、实验目的与要求（1）掌握PID校正的实际应用；（2）组建控制系统并对其进行PID校正；（3）对所组建的控制系统进行控制器参数整定；（4）观察控制器参数和控制质量的关系，并进行综合分析。 二、实验内容（1）采用4:1衰减曲线法进行控制器参数整定，找到相应的参数，并综合分析如何快速完成参数整定过程；（2）根据参数整定的经验公式计算PID参数；（3）把计算得到的PID参数应用于实际的控制系统，观察控制系统在扰动作用下的控制质量；（4）调整PID参数，不断提高控制系统的控制质量，并综合分析和总结提高控制系统的控制质量的方法。 三、实验装置电动温度控制系统是过程控制系统中常见的一种，其作用是通过一套自动控制装置，见图2-1，使炉温自动维持在给定值。 图2-1 温度控制系统炉温的变化由热电偶测量，并通过电动温度变送器转化为DDZ-型表的标准信号010mA直流电流信号，传送到电子电位差计XWC进行记录，同时传送给电动控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通过预定控制规律的运算后，输出010mA直流电流信号给可控硅电压调整器ZK-50，通过控制可控硅的导通角，以调节加到电炉（电烙铁）电热元件上的交流电压，消除由于干扰产生的炉温变化，稳定炉温，实现自动控制。 四、操作要点 采用衰减曲线法（41）进行参数整定，当系统稳定后，在纯比例（TI =max ，微分开关切向0）作用下，置于一个较大的数值（3060），用改变给定值（一般为5个小格左右）额定值的5左右，本实验可改变给定值刻度盘上的五个小格的方法加入阶跃输入，观察记录曲线（动态过程），并计算衰减比，此时衰减比若大于 41 ，应减小值，再用改变给定值的方法加入阶跃输入，观察记录曲线，并计算衰减比，直到得到衰减比为 41 的动态过程，记下此时的比例度S，并通过尺子量出衰减振荡曲线中一个周期的长度，根据记录仪的走纸速度计算出振荡周期TS ，然后根据经验公式： =1.6S ， TI=0.4TS TD=0.2TS求出相应的、TI 、TD值，把它们加到控制器中，此时给定值不要变，将干扰开关从“短”切向“干扰”，观察记录的（反向阶跃）动态过程曲线，再将干扰开关从“干扰”切向“短”，观察记录的（正向阶跃）动态过程曲线，跟各组提供的标准动态过程曲线（历届同学做得最好的动态过程曲线）相比较，注意正向的与正向的比较，反向的与反向的比较，若有差距，可以适当改变、TI 、TD值（每次改变、TI