锅炉内胆水温PID控制实验

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。

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。

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。

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3～5，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

（2）PI

（3）PD

（4）PID

9.计算

（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）PID

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。

（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。

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，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？

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