仪表实验报告——温度控制系统

实验四
温度控制系统（一）
一．实验目的：
1．了解温度控制系统的组成环节和各环节的作用。

2．观察比例、积分、微分控制规律的作用，并比较其余差及稳定性。

3．观察比例度δ、积分时间T
I 、微分时间T
D
对控制系统（闭环特性）控制品
质的影响。

二．温度控制系统的组成：
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4-1，使炉温自动维持在给定值。

图4-1 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-Ⅱ型表的标准信号0～10mA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0～10mA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。

三．实验内容与步骤：
（一）观察系统各环节的结构、型号、电路的连接，熟悉可控硅电压调整器和电动控制器上各开关、旋钮的作用。

（二）控制系统闭环特性的测定：
在以下实验中使用以下具体数值：δ
1(50%) ，δ
2
(80%)，T
I 1
(50s)，T
I 2
(40s)，
T
D1
(30s)来观察比例与积分控制规律的作用
（1）考察比例作用
将δ置于某值50%，记住δ旋钮在δ
1
的位置，积分时间置最大
（T
I
=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余差大小。

（2）考察积分作用
保持δ=δ
1不变，置T
I
=T
I 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余差，直
到过程基本稳定。

2．观测PI控制作用下的过渡过程
保持δ
1，T
I 1
不变，将干扰开关从“干扰”切向“短”，产生一个正向阶跃
干扰，观察过渡过程到基本稳定。

3．考察δ对余差的影响
置δ=δ
2 ，T
I
=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余差大小。

并与1（1）中δ=δ
1
时的余差相比较。

再加入积分作用T
I =T
I 1
以消除余差直到过程基本稳定。

4．考察T
I
对过渡过程的影响
置δ=δ
1 ，T
I
=T
I 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，观察过渡过程到基本稳定，并与2中的实验结果进行比较，以了解T
I
对过
渡过程的影响。

注意：要在同样条件下才能进行比较，即δ旋钮的位置要与2中的位置完
全一致，才能保证此时的δ
1 与2中的δ
1
是相等的
5．观测PID控制作用下的过渡过程
保持δ=δ
1 ，T
I
=T
I 2
不变，置T
D
=T
D1
，微分开关切向D ，将干扰开关从
“短”切向“干扰”，等待过程稳定后，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，观察过渡过程，并与PI控制作用下的过渡过程进行比较。

6．考察δ对稳定性的影响
将δ减小到1％， T
I
=max，微分开关切向0，观察过渡过程波动曲线。

7.简单控制系统的参数整定
采用衰减曲线法（4﹕1）进行参数整定，在纯比例（T
I
=max ，微分开关切向0）作用下，δ置于一个较大的数值（30～60％），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（过渡过程），并计算衰减比，此时衰减比若大于 4﹕1 ，应减小δ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 4﹕1 的过渡过程，记下此时的
比例度δ
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T
S
，然后根据经验公式：
δ=δ
S
，
T
I
=
T
D
=
求出相应的δ、T
I 、T
D
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）过渡过程曲线，再将干扰开关从“干扰”切向“短”，观察记录的（正向阶跃）过渡过程曲线，跟各组提供的标准过渡过程曲线（历届同学做得最好的过渡过程曲线）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δ、T I 、T D 值（每次改变δ、T I 、T D 值，均要记录），重复以上过程，直到控制系统的控制质量接近或超过标准。

四．问题讨论
1 由实验结果讨论比例、比例积分、比例积分微分控制规律的作用，比较余差及稳定性
A.考察纯比例作用（δ=50%，T I =max ，T D =0），达到稳定的时间是2’46’’，余差大小是12mm
B.考察积分作用（δ=50%，T I 1=50s ，T D =0），比较积分与比例作用的曲线发现是相互对称的，余差的消除时间与比例积分过渡时间基本一致。

C.在PI 作用下，系统加入干扰后能消除余差，然而振荡变剧烈，降低了系统的稳定性。

D.对于扰动作用，考察δ对余差的影响，由图比较在（δ=80%，T I =max ，T D =0）和在（δ=50%，T I =max ，T D =0）控制作用下的两条曲线可知，δ=80%对应的余差为33mm>12mm ，说明δ越大，余差越大
E. T I 对过渡过程的影响通过比较（δ=50%，T I 1=50s ，T D =0）和（δ=50%，T I2 =40s ，T D =0），发现积分时间越小，积分作用越强，消除余差越快，振荡加剧，稳定性降低。

F. PID 作用下（δ=50%，T I 2=40s ，T D =30s ），与PI 下（δ=50%，T I =40s ，T D =0）的控制过程比较，PID 作用下的曲线较平稳，稳定性较高，回复时间短，能较好地实现快速调节过程。

这说明在负荷变化剧烈、扰动幅度大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。

这是因为当控制器在感受到偏差后再进行控制，过程已经受到较大幅度扰动的影响，而引入微分作用后，当被控变量一有变化时，根据变化趋势适当加大控制器的输出信号，将有利于克服扰动对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统的稳定性。

δ对于过渡过程的影响，综上分析可知它的值越小，比例控制作用越强，余差小，当δ减小到1%，实现纯比例控制时，将出现发散振荡的情况，这是因
为其小于其临界比例度
2 分析不同的δ、T I 、T D 对过渡过程的影响。

综合1的考察分析，归纳如下： δ对过渡过程的影响：
a.在扰动存在时，最后的被控变量与设定值总会存在一定的偏差。

这是因为一旦系统的平衡关系遭到破坏时，控制器必须有一个输出量才能建立新的平衡关系，而比例控制器的输出又是正比于输入e 的，因而这时控制器的输入必然不会为0
b.δ越小，衰减比越小，比例控制作用增强，余差减小，回复时间缩短，能较快地将被控变量拉到设定值，但是另一方面，值越小，稳定性会越低，特别是当δ减小到小于其临界比例度δk 时，系统发散振荡，可能会造成事故。

T I 对过渡过程的影响
在纯比例作用下引入积分作用，若保持控制器的比例度不变，随着T I 减小，积分作用增强，消除余差快，但另一方面使震荡加剧，衰减比下降，稳定性下降。

T D 对过渡过程的影响
T D 越大，微分作用越强，过大则可能会造成系统产生剧烈振荡。

3 . 绘制一组你在改进控制系统的控制质量的过程中所得到的过渡过程曲线，并注明各参数值。

衰减比4：1下得到的δs=10%，通过尺子量出衰减振荡曲线中一个周期的长度为5.5mm ，而走纸速度为300mm/h ，故Ts=300*3600=66s ；根据经验公式 δ=δS = T I == T D ==
把它们加入到控制器中，曲线呈发散，使曲线发散的因素包括δ、T I 、T D ，根据理论可知在T I 越小，T D 和δ保持不变的情况下，曲线越容易发散（故后续的值均应往大调）
经过几组的参数调节，进行质量的控制，涉及的参数如下表所示
4. 针对你的实验经验与结果，讨论为了得到更好的控制质量，如何根据实
际的过渡过程的具体缺陷，调整δ、T
I 、T
D
值。

由此次实验总结，控制系统的控制质量应尽量使最后的温度变化不会太明显，即波动不会太剧烈（本实验建议在衰减比为4：1的情况下调整），并且，另一方面，过渡时间尽量短.
为此，大体上遵循以下步骤调整
（1）在参数值使系统发生发散时，首先得确定三个参数中是哪个参数对其造成了最大的影响，可以通过控制变量法来确定
（2）发现是积分时间对其发散影响最大的情况下，在微分时间一定的情况下调节，可以适当地把积分时间调大，同时比例度应适当调小（这两个参数值均在求出的经验值的附近值）一方面是为了避免发散现象，另一方面是为了尽量使削减比保持在4：1左右，振荡不会过度剧烈
（3）在保证温度不会变化得太大的情况下，再调整微分时间来实现缩短过渡时间的控制效果
五、心得体会
1.在考察比例、积分、微分控制规律对系统的作用时，每调一次值，必需等到被控变量不再改变时再继续进行下一步，否则会造成偏差的积累，对于最后的结果产生影响。

2.干扰开关从“干扰”切向“短”，或者从“短”切向“干扰”均产生一个阶跃信号，故每次在调好参数后，欲使其对系统施加影响，都必须切换开关。

3.做实验时应认真思考调节参数对系统施加的控制作用的规律，从而指导下
一个实验步骤，如在考察T
I 对余差的影响时，发现T
I
值对于系统的稳定性也
会产生一定的影响，过小则振荡加剧，故在下一步设置参数值时，应该控制其大小，防止发散。

4.当系统已经发散时，为使系统能较快地恢复到稳态，则根据在实验过程中获得的最快使系统恢复的参数来调节，以节约时间。

5.在衰减比4：1的前提下做参数整定的实验，是因为工业生产中，定值系统（设定值不变，通过切换干扰开关对其施加阶跃信号）通常要求控制系统具有振荡不太剧烈，余差不太大的过渡过程，一般取衰减比值为4：1
6、通过比例度调节，δ=20%，衰减比n=无穷，δ=30%，衰减比n=无穷，故尝试将δ调小，当δ=15%，n=7；当调节δ=10%，n=4，可知当比例度减小时，衰减比亦减小
7、对于简单控制系统的参数整定，是有一定规律可循的，单纯地靠调节某一参数是无法实现较好的控制效果的，可以通过利用不同参数对控制系统的影响的趋势，来统筹出最适合的参数。