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1~5V DC、4~20mA 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4~20mA 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250Ω),且将调节器输出电流转换为1~5V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1~5V 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4~20mA 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。
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测量值示 给定值示 指示单元 控制单元 测量信号 给定信号 硬手操电路 指示电路 指示电路 H 输入电路 PD电路 PI电路 输出电路 Ui A K2 IO 1~5v
M K1
250Ω Is外 Us外 Us内
软手操电路 4~20mA 1~5v
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1~5V测量信号和给定信号(内给定信号为1~5V,外给定4~20mA的电流信号经内部250Ω的精密电阻转换成1~5V的电压信号),转换成1~5mA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。
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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δ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。
⑴. 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),TD=0(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。
⑵. 比例积分调节:TD=0(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0.01~25分种(两档)积分时间的调整。 ⑶. 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0.04~10分钟微分时间的调整。
四、调节器的调节特性
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1. 比例调节规律(P) ε(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ε(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δ(或P)来表示比 AKp 例作用的强弱。在DDZIII型调节器中δ=(1/Kp)
×100%。δ越小比例调节作用越强,δ越大比 t 例调节作用越弱。因此,比例度δ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。
ε(t) ε(t)
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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
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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。
ε(t) ε(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 t
4. 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
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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
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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
+ Is外 外给定电流 + ⑦ ⑩ - ①+ ④ + ⑧- ⑾ + ②- ⑤ - Vi 测量值(电压) ⑨ ⑿ Io 输出电流信号,4~20mA DC
1~5V ③ ⑥ 〨 - L1 + L2-
+
电源24V DC
4~20mA -
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0~5V DC、1~5V DC、0~1V DC、0.2~1V DC、热电阻、热电偶等信号,记录
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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1~5V DC输入信号(将调节器输出电流通过250Ω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①、②端子。信号输入:使用⑦、⑧端子,⑦为正、⑧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)。
⑵ ⑶
⑴ : 1 POINT :√ 按日期查询 CH1 (与本实验无关)
PAGE:× T IMEF 当前时间段最大坐标值 4.500 当前时间段最
大座标值标线 当前时间段设定值 4.200 (与本实验无关)
0.01 当前时间段记录分辨率 游标线
ALM 当前时间段报警状态 (与本实验无关) 1.000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 09-04-12 10︰25︰00 10︰40︰00
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
4.500⑴. 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。 ⑵. 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”
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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“×”。
⑶. 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
~
IO 4~20mA 1~5V DC Vi 1~5V 250Ω 调 节 器 信 号 4~20mA DC I外 S无 纸 记录仪 发生器 直 流 稳压源 直 流 毫安表 24V DC ~
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220V AC 图11: 实验装置示意图
利用信号发生器提供1~5V DC测量信号(Vi)和4~20mA 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1~5V DC测量信号(Vi);提供4~20mA DC外给定电流信号(Is外)。 220VAC供电。
2. 调节器输出(Io):4~20mA,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,250Ω。同时转换为1~5V 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)
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⑴. 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。
⑵. 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Vi-Vs外=3.00-2.00
=1.00 V ,而该偏差并未加入(因在“内给定”状态, 而Vi=Vs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。
⑶. 观察 P刻=75%时调节器开环比例(P)输出特性曲线 ①. 将比例度刻度盘调在P刻=70%。 ②. 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。
③. 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Vi-Vs
内=3.00-3.00
=
0.00V即偏差为零,输出电流不会改变,仍为4.00mA。
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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,Vi-Vs外=3.00-2.00 =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)。
⑷. 观察 P刻=300%时调节器开环比例(P)输出特性曲线
重复⑶,只是改变比例度刻度值。
⑸. 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)。 ⑴. 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%。
⑵. 调整外给定电流[方法与2. ⑵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。 ⑶. 观察 TI刻=1分、P刻=100%时调节器开环PI输出特性曲线 ①. 将积分时间刻度盘调在TI刻=1分上。 ②. 调整输出电流初始值
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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.⑶.②。 ③. 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,Vi-Vs外=3.00-2.00 =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。
⑷. 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⑶,只是改变积分时间刻度值TI刻。
⑸. 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)。 ⑴. 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
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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。 ⑵. 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.⑵相同。此时外给定并未加入,因为在“内给定”状态。
⑶. 观察TD刻=5分、P刻=100%时调节器开环PD输出特性曲线 ①. 将微分时间刻度盘调在TD刻=5分上。 ②. 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.⑶.②。 ③. 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。
⑷. 观察TD刻=10分、P刻=100%时调节器开环PD输出特性曲线
重复⑶,只是改变微分时间刻度值TD刻。
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注意:要给微分电容放电。
⑸. 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)。
⑴. 调整外给定电流[方法与4. ⑵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. ⑵完全相同,已经调整好,实际上不必调整。
⑵. 观察TI刻=0.5分、TD刻=1分、P刻=100%时的PID输出特性曲线 ①. 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。 ②. 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.⑶.②。 ③. 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 – Vs0.00 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:
内=3.00-3.00
=
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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积分微分规律变化(先与偏差同步跳变到某一数值,然后微分衰减,再积分增大)。通过无纸记录仪观察比例微分PID调节的输出特性曲线。
⑶. 观察TI刻=1分、TD刻=3分、P刻=100%时调节器开环PID输出特性曲线
重复⑶,只是改变积分时间TI刻和微分时间TD刻的刻度值。
注意:要给微分电容放电。
⑷. 绘制不同积分时间、不同微分时间、P刻=100%时调节器开环PID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、不同积分时间TI刻和微分时TD刻间的PID输出特性曲线,在实验报告中画出相应的PID输出特性曲线图。
八、注意事项
1. 电压内给定、测量信号电压必须调准,否则影响实验结果。本实验是在Vi=Vs
3.00V前提下进行的。
2. 实验的4、5、6项内容,是在P刻=100%前提下进行的,其目的是为了具有可比性。 3. 在比例微分、比例积分微分实验内容中,每一次实验必须将微分电容放电,否则影响
实验结果。
4. 信号发生器电压输出不能短路;接线检查无误后,方可通电;通电预热10分钟后,
方可测试。
5. 每一项实验,实验前必须将各个切换开关放在正确位置。
内=
九、问题与思考
1. 基本型调节器的三大参数各是什么?为什么积分作用、微分作用不单独使用?
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2. 从实验中概括调节器比例、积分、微分调节特性。
3. 调节规律是指输出信号的变化量与输入偏差之间的运算关系,在实验中输出电流初始
值定为4.00mA,是否可以为其它值?如果可以,要注意什么问题? 4. 在实验中所加阶跃偏差定为1.00V和0.25V,是否可以定为其它值? 5. 本实验是在调节器的正作用下进行的,什么是正作用?什么是反作用?
6. 本实验是在“正作用”、加入正阶跃偏差下进行的,能否加负阶跃偏差?如果能,输出
特性曲线将如何变化?
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