控制工程基础实验指导PID

前面介绍的五个站点的数字控制器(或 PLC)通过 PROFIBUS 电缆与
计算机相连， 因此， 通过计算机就可以对各控制器的相关参数或检测到的数据进行设定和读 取。
图 18 各站点与计算机的 Profibus 连接
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控制控制工程基础认识实验 FESTO 检控软件是一套基于 SIMENS-WINCC 开发的针对本系统的控制过程监控软件。通 过该软件可以对各数字控制系统的比例积分微分系数(Kp,Tr,Td)以及设定值()、 输出值进行 设定。 并可读取各个站点传感器的返回信号， 将结果绘制为曲线显示。 相关截面如下图所示。
控制控制工程基础认识实验
自动控制系统结构特性及 PID 参数整定实验
一、实验目的： 1．了解 FESTO 过程控制系统的组成、结构和功能； 2．掌握 PID 控制器的基本原理； 3．掌握试凑法对系统 PID 参数进行整定。
二、实验设备及介绍： 我们日常生活中经常接触到管道流体系统， 如居民区的供水排水系统、 房间的通风系统、 供暖系统等。在工业生产中也经常见到管道流体系统，如工业锅炉、石油加工、油气输运、 水力发电等。 在这些流体系统中往往需要对流体的液位、流量、压力、温度等进行控制以完成相应的 任务或达到一定的安全标准。这就需要对流体状态进行检测，并控制相应的设备如阀门、水 泵、加热锅炉等来到达这一目的。流体控制系统的设计就成为人们解决这一问题的关键。 本实验所用到的流体控制系统如图 1 所示。 该系统由德国 FESTO 生产组装， 由液位站、 流量站、 压力站、 温度站和旁通站五个站点构成， 其中前四个站可独立进行水的液位、 流量、 压力、温度四个物理量测试和控制实验。四个站中的水路通过旁通站相互连接，由旁通站调 配各容器的储水量，并实现测控数据与计算机主机的通信。
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控制控制工程基础认识实验 旁通站 通过管道将四个站连接起来（图 17） ，主要由水泵、管道、开关控制阀(图中用 表示)、手动阀、PLC、电源等组成。其主要作用是调配各个站点的储水量，保证各个站 能够正常工作。
图 17 旁通站与各个站的水路连接（管道－仪器图）
FESTO 监控软件
图 6 液位传感器特性 数字控制器：①先对输入电流信号进行滤波（截至频率 20Hz，时间常数 0.01s） ，②再将该 电流信号转换为数字信号（线性，4mA 对应 0，20mA 对应 100） ，③PID 控制计算，④对输 出数据进行截至处理， 控制在 0-100 之间， ⑤将 0-100 的数字信号线性转换为 0-10V 的电压。
flow/l/min.
5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 12 24
0.0
0.5
Байду номын сангаас1.0
1.5
time/sec.
flow/l/min.
5.0 4.0 3.0 2.0 1.0
Voltage/V
0.0
0.5
1.0
1.5
time/sec.
图 4 水泵静态特性
图 5 水泵动态特性
液位传感器：利用超声波在气体介质中的回声测距原理检测液位。单探头形式，既发射又接 收超声波。探头安装在液面上方的容器顶盖上。若容器高 H，液位为 h，超声波在空气中的 传播速度为 v，超声波从单探头发射到液面，然后又反射回探头，共需时间 t，则有：h＝H －vt/2。本传感器以 40Hz 的频率进行采样测量，其输出电流与液位的关系如下图。
图 11 压力站外观 压力站中各设备的相关特性： 水泵、水箱、管道、比例阀同液位站
图 12 压力站“管道－仪器”图
压力容器： 内储一定量的气体， 当管道中水的压力增大时， 便会压缩容器中的气体， 稳态时，
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控制控制工程基础认识实验 容器中气体的压强与水的压强相等（不考虑液位高度所造成的压强） 。 压力传感器： 一般的硅压阻式压力传感器是在硅片上用扩散或者离子注入法形成四个阻值相 等的电阻条，并将它们连成一个惠斯登电桥。当没有外加压力作用在硅片上时，电桥处于平 衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压的大小与 压力有关， 通过测量电压便可以得到相应的压力值。 压力传感器输出电压和所受的压强的关 系如下图：
flow/l/min.
10 8 6 4 2
frequency/Hz.
500 400 300 200 100 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
0.0
0.5
1.0
1.5
time/sec.
frequency/Hz.
500 400 300 200 100
flow/l/min.
0.0
0.5
1.0
1.5
time/sec.
图 9 流量传感器静态特性
图 10 流量传感器动态特性
比例阀：内有活塞、弹簧和电磁铁，在比例阀未通电流时，弹簧将活塞压下，从而堵住比例 阀内的液体流经的路径。当比例阀两端通以电流时，由于电磁铁的作用，使活塞抬起，液体
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控制控制工程基础认识实验 可由比例阀流过。 通过改变比例阀的输入电压可改变其活塞冲程的大小， 从而影响通过比例 罚的流量。 数字控制器：①先对输入电流信号进行滤波（截至频率 20Hz，时间常数 0.01s） ，②再将该 频率信号转换为数字信号（线性，0Hz 对应 0，1000Hz 对应 100） ，③PID 控制计算，④对 输出数据进行截至处理，控制在 0-100 之间，⑤将输出的 0-100 数字信号线性转换为 0-10V 的电压。
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控制控制工程基础认识实验
图 14 温度站外观 温度站中各设备的相关参数如下： 水泵、水箱、管道同液位站
图 15 温度站“管道－仪器”图
水泵：主要作用是以恒定流量对液体进行搅拌，使容器中水的温度尽可能均匀一致。 加热器：加热功率 1000W，由开关继电器控制。 温度传感器：PT100(铂电阻，0℃时 100Ω)热敏电阻。稳态时，热敏阻值与温度在一定范围 内可近似看作线性，0.39Ω/℃。
Pt100温度传感器输出阻值与温度的关系 250 200 150 100 50 0 -50 0 -100 -150
温度（℃）
50
100
150
200
电阻（Ω）
图 16 温度传感器输出特性 数字控制器：①先对输入按分压原理测量热敏电阻阻值大小并进行滤波（截至频率 20Hz， 时间常数 0.01s） ，②再将该信号转换为数字信号（线性，最终使得数字值与温度值相同，即 0℃对应 0，100℃对应 100） ，③PID 控制计算，④对输出数据进行截至处理，控制在 0-100 之间， ⑤将输出的 0-100 数字信号线性转换为一定脉宽的 0-24V 的 PWM 信号(如： 周期为 10s 时，40 对应 4s 脉宽的信号)。 注意：温度站的水温不得超过 65°C。 不得在加热器没有完全浸入水中时进行加热。
控制控制工程基础认识实验 流量传感器检测水的流量并以频率信号的形式送给数字控制器， 数字控制器通过控制水泵电 机的驱动电压（或比例阀的电压）来调节管道中水流的大小。
图 7 流量站外观 流量站中各设备简要介绍如下： 水泵、水箱、管道、手动阀门同液位站
图 8 流量站“管道－仪器”图
流量传感器：内有涡轮和光电红外装置。当流体沿管道轴线方向冲击涡轮叶片，驱动涡轮旋 转， 叶片周期性的通过光电红外检测区域， 光电元件间断的接受光电红外信号， 输出电脉冲。 经前置放大器放大、整形后输出规则的电脉冲信号。在一定流量范围内，电脉冲的频率与涡 轮的旋转速度成正比，即与被测流量（体积流量）成正比。通过传感器的流量大小与输出电 脉冲频率的关系如下图：
图 2 液位站外观
图 3 液位站“管道－仪器”图
水泵：输入电压 0-10V，输出为扬程（水头压力） 。有关知识请参考水力学及水泵等书籍。 在一定条件下测得水泵输入电压与输出流量之间的静特性如图 4 所示， 动态特性如图 5 所示。
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控制控制工程基础认识实验
Voltage/V
25 20 15 10 5
表示水泵，实线表示水路管道，虚线表示电缆。由图可见该系统由水路系统和电
路系统两部分组成：在水路系统中，水泵从下水箱将水抽出并通过管道输运到上水箱，由于 上水箱液面高出下水箱，一部分水经过管道从上水箱流回下水箱，构成一个水路循环。在电 路系统中， 液位传感器通过超声波定位测出上水箱水位的高低， 并将此转换为 4－20mA 的电 流信号传送给数字控制器 LIC，由 LIC 通过调节水泵电机的电压从而控制水泵的输水能力。 各设备简单介绍如下 水箱：长×宽×深＝176×192×370mm3 管道：内径 12 mm，铝塑复合管 手动阀门：可手动调节，影响流经管道时水流所受到的阻力，从而影响水的流量。
压力站（如图 11 所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、压力传感器③、比例阀④、数 字控制器⑤、电源、水箱⑥、管道⑦以及压力容器⑧等组成。由于压力容器中气体的压力和 水的流量存在一定的关系，系统调节水泵驱动电压（或比例阀）从而控制水的流量，进而达 到控制气体压力的目的。 压力站的“管道－仪器”图如图 12 所示，图中 表示压力容器。水泵将水从水箱中抽 出流经管道和阀门，最终流回水箱构成一个流体回路。在管道中，安装压力容器将水的压力 转化为气体的压力， 压力的大小由安装在压力容器顶部的膜阻式压力传感器测出。 压力传感 器将测得的压力大小以电压信号传送给数字控制器， 由数字控制器控制水泵电机的驱动电压 进而控制水流的压力。
图 19 FESTO 监控软件界面
图 20 参数设置界面 第 9 页 共 13 页
控制控制工程基础认识实验
图 21 曲线显示和参数设置
流量站（如图 7 所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、流量传感器③、比例阀④、数字 控制器⑤、电源、水箱⑥和管道⑦等组成。系统通过调节水泵驱动电压或比例阀大小以达到 控制水流大小的目的。 流量站的“管道－仪器”图如图 8 所示，图中 HSO 表示手动选择开关， 表示比例
阀。从图中可知，在水路中，水泵从水箱中抽水并经过管道后流回到水箱中。在管道中，由 第 3 页 共 13 页
温度站（如图 14 所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、电热器③、温度传感器④、数 字控制器⑤、电源、水箱⑥和管道⑦等组成。系统通过调节电热器的输入功率来控制容器中 水的温度。 温度站的“管道－仪器”图如图 15 所示。 表示加热器，它由一定周期的方波信号控
制，高电平时电热器工作，低电平时电热器不工作。在水流回路中，水泵将水从水箱中抽出 然后在送回水箱，起作用相当于体搅拌，以增强水箱中水的流动，使水箱中的水的温度尽可 能均匀。 水箱中温度的变化使电阻式温度传感器的热电偶的电阻发生变化， 这以变化由数字 式控制器测得， 并转换为相应的温度值。 数字式温度传感器输出方波信号控制电热器的输出 功率， 系统通过调整方波信号的高电平宽度占整个方波信号周期的比例来改变电热器的平均 输出功率。
图 1 FESTO 流体控制系统外观
液位站（如图 2 所示）主要由水泵①、水泵驱动器②、液位传感器③、数字控制器④、 电源、上水箱⑤、下水箱⑥和管道⑦等组成。系统通过调节水泵电机驱动电压以达到控制上 第 1 页 共 13 页
控制控制工程基础认识实验 水箱水位的目的。 流体系统往往用“管道－仪器”图来描述各个设备的功能和作用，在本文的“管道－仪器” 图中， 用 LI 表示液位传感器， FI 表示流量传感器， PI 表示压力传感器， TI 表示温度传感器， LIC、FIC、PIC、TIC 分别表示控制液位、流量、压力、温度的数字控制器，P 表示水泵， M 表示水泵驱动器。 液位站的“管道－仪器”图如图 3 所示。图中 阀门， 表示上下两个水箱， 表示手动
图 13 压力传感器特性(1bar=10e5Pa) 数字控制器：①先对输入电流信号进行滤波（截至频率 20Hz，时间常数 0.01s） ，②再将该 电压信号转换为数字信号（线性，0V 对应 0，10V 对应 100） ，③PID 控制计算，④对输出 数据进行截至处理， 控制在 0-100 之间， ⑤将输出的 0-100 数字信号线性转换为 0-10V 的电 压。