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1、如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!第五节 锅炉内胆水温PID控制实验一、实验目的1. 根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。2. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。3. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。二、实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只三、实验原理本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的
2、端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图5-1所示。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图5-1 锅炉内胆温度特性测试系统(a)结构图 (b)方框图可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制：（一） 锅炉夹套不加冷却水（静态）（二） 锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的
3、。四、实验内容与步骤1.先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-4、F1-5、F1-13全开，打开电磁阀开关，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13、F1-4及电磁阀，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2.接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面,在实验主界面中选择本实验项即“锅炉内胆水温PID控制实验”。3.合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉内胆的水温稳定于设定值。4.按指导书第二章第一节中的
4、经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。5.待锅炉内胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，然后记录曲线。6.开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤35，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。7.分别采用P、PI、PD控制规律，重复上述实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。8.上述实验用计算机实时记录的响应曲线。 （1）P如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（2）PI如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（3）PD
5、如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（4）PID如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!9.计算如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（1）P稳态误差=30-29.37=0.63上升时间：tr=5:48:27-5:47:23=64(s)（2）PI峰值时间：tp=6:22:25-6:19:26=2:59=179(s)超调量=(44.25-35)/ (35-2.528)*100%=28.5%（3）PD稳态误差=35-34.04=0.86上升时间：tr=6:49:25-6:48:10=75(s)（4）PI
6、D上升时间：tr=7:05:50-7:04:40=70(s)峰值时间：tp=7:07:30-7:04:40=170(s)超调量=(44.15-35)/ (35-2.626)*100%=28.3%10.分析（1）根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。分析：系统在阶跃扰动作用下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节以后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（2）比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。Ti：为了消除稳态误差，在控制器
7、中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。Kp:放大误差的幅值，快速抵消干扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑
8、制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。（3）分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。P:是基本的控制作用，比例调节对控制作用和扰动作用的响应都很快但会带来余差。PI: PI调节中P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但是I调节会降低系统的稳定性。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!PD:由于微分的超前作用，能增加系统的稳定度，震荡周期变短，减小了误差，但是微风抗干扰能力差，且微分过大易导致调节阀动作向两端饱和。PID:常规调节器中性能最好的一种调节器，具有
9、各类调节器的优点，具有更高的控制质量。五、思考题1.在温度控制系统中，为什么用 PD 和 PID 控制，系统的性能并不比用PI 控制有明显地改善？答：目前温度传感器采用热电偶或热电阻有零点几秒到十几秒的延迟，在控制中必须加微分D做提前产生作用。在实际运用中会觉得与工况变化不相符，往往是觉得超调严重而调乱PID参数。2.为什么内胆动态水的温度控制比静态水时的温度控制更容易稳定，动态性能更好？答：内胆是一个封闭的空间，几乎就不向外界散热，使用传感器测温时，测的是某一点的温度，内胆其它地方的温度可能与测量点的温度并不完全一致，静态水不流动，无法快速进行热传递，而动态水却因为它是流动的，使水温保持均匀
10、，当然也就更容易控制。3.如果要消除系统的余差为什么采用 PI 调节器，而不采用纯积分器？如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!答：因为比例积分适用于滞后比较小，负荷变化不大，不允许有余差的控制系统。而纯积分器会使系统稳定性变差。积分能在比例的基础上消除系统的余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。4.在阶跃扰动作用下，用PD调节器控制时，系统有没有余差存在？为什么？ 答：系统会存在余差，但余差会减小。因为P调节系统始终都存在稳态误差，加入微分调节，误差会减小，但不能完全消除误差，要消除误差，需引入积分调节。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）