水温控制系统实验

大学实验报告
课程名称过程装备控制技术及应用
系专业 1 班姓名
实验名称水温控制系统实验（实验三）实验日期2013.7.7 指导老师
一、实验目的
(1)了解水温定值控制系统的结构与组成。

(2)掌握水温定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。

(3)掌握临界比例度法整定调节器参数。

(4)研究调节器三参数的变化对系统静、动态性能的影响。

(5)了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对水温定值控制的作用。

二、实验设备
实验对象、电源控制台、研华模块、计算机一台、万用表一个、实验连接线若干。

三、实验原理
被控量为水的温度，实验要求系统的温度稳定在给定值。

将温度传感器检测到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加热时间，以达到控制被控温度的目的。

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统调节器应为PI或PID控制。

四、实验内容与步骤
（1）突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。

作广义过程的阶跃响应曲线，并由此确定被控过程的数学模型。

（2）采用临界比例度法整定调节器参数。

在闭环情况下进行，设T I=∞，T D=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现
等幅振荡，如图1所示。

根据临界比例度δ
k 和振荡周期T
S
，按表2所列的经验
算式，求取调节器的参考参数值
（3）分别适量改变调节仪的P、I、D参数，重复步骤，用计算机记录不同参数时闭环系统的干扰阶跃响应曲线。

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成系统不稳定。

加入干扰后，被测温度便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，温度稳定至新的设定值，记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，温度的响应过程曲线将如图1所示。

图1 温控系统的阶跃响应曲线
（4）分别用P、PD、PID三种控制规律重复上述步骤，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

积分时间对过渡过程的影响
五、数据记录及结果分析
由于系统环境基本相同（室温26℃），广义过程的特性参数确定同实验一，此实验不再重复测量。

（1）实验数据记录
临界比例度实验、P、PI调节程序同PID实验程序（仅改变kp,ti,td值），
注释
Dim DATA!, tep!, c!, pretep!, newsp!
定义数据；
Dim RetVal As Long, IPAddress As String
（2）通过大量实验，我们得出，当kp=45时，可以得到较为理想的等幅振荡。

将该参数进行临界振荡试验(在闭环情况下,设置Ti=∞，Td=0，使调节器在纯比例情况下工作)得以下实验曲线：
根据Ziegler-Nichols方法的经验计算式：
td=Tcu/8=26.5
kp =0.6Kcu= 27
ti = Tcu/2=106
按此参数设置PID控制，作出相应曲线图如下：
由图线看出过程初始温度上升较快，并且超调量较小，温度基本稳定在设定值Tsp=84.6℃左右，基本符合温度控制系统的要求。

（3）适当改变调节器的P、I、D参数为kp=27，ti =106，td=26.5，在系统稳定后倒入一定量的冷水作干扰阶跃响应曲线。

从曲线中可以看出，系统能在不超过15%的干扰作用下快速准确地稳定在给定值的温度值上，可见该PID调节过程有效。

（4）分别用P、PI、PID作响应曲线如下：
P控制（Kp=22.5）：
可见纯比例控制虽然能较快使系统稳定下来，但是始终有一定余差无法消除。

PI控制（Kp=20.25，ti=176.67）：
PID控制（kp =27，ti =106，td= 26.5）
P、PI、PID温度控制曲线图比较
从上图的比较可以看出，比例调节（P）可以迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来。

但是，比例调节存在一定的余差，使被控温度无法稳定在设定值附近。

在加入了积分作用（I）后的PI调节明显地消除了余差，但是系统振荡加剧，稳定性下降。

比例-积分-微分调节（PID）综合了以上优点，并且加入了微分作用（D），利用微分作用的预测特性，抑制了系统的振荡，使系统温度又快、又稳、又好地控制在给定值上。