实验调节器PID特性.docx

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实验调节器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1～5VDC、4～20mADC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4～20mADC电流。

5.稳压电源一台：

给调节器提供24VDC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1～5VDC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4～20mADC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。

测量值示给定值示

指示单元控制单元

硬手操电路

测量信号

指示电路

给定信号

指示电路

H

输出电路

PD电路

PI电路

输入电路

UiAK2IO

1～5v

M

软手操电路

K1

250Ω

Is外Us外Us内

4～20mA1～5v

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。

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

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）

AA

tt

△y（t）△y（t）

KpA

tt

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）

AA

tt

△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

tt

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

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

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

+

＋

⑦⑩

①＋④＋

⑧－⑾

②－⑤－

⑨⑿

③⑥

〨

L1＋L2－

Is外外给定电流

4～20mA

-

+

Vi测量值（电压）Io输出电流信号，4～20mADC

1～5V

-

+

电源24VDC

-

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0～5VDC、1～5VDC、0～1VDC、0.2～1VDC、热电阻、热电偶等信号，记录时间间隔可以为1秒～5小时，它们均根据需要进行设置。

实验中使用1～5VDC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）。

⑵⑶

⑴

CH1：

1POINT：

√

4.500PAGE：

×TIMEF

4.500

4.200

0.01

ALM

1.000

09-04-1210︰25︰0010︰40︰00

按日期查询

（与本实验无关）

当前时间段最大坐标值

当前时间段最

当前时间段设定值大座标值标线

（与本实验无关）

当前时间段记录分辨率游标线

当前时间段报警状态

（与本实验无关）

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

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

⑴.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”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。

220VAC

～

无纸

记录仪

IO4～20mA

信号

发生器

调节器

1～5VDCVi1～5V

250Ω

4～20mADCIS外

直流

稳压源

直流

毫安表

信号

发生器

24VDC

～

220VAC图11：

实验装置示意图

利用信号发生器提供1～5VDC测量信号（Vi）和4～20mADC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1～5VDC测量信号（Vi）；提供4～20mADC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1～5VDC信号，作为无纸记录仪的输入信号。

3.稳压电源：

提供24VDC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/METERCHECK）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）

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＝2.00V。

即Vi－Vs外＝3.00－2.00＝1.00V，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。

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＝1.00V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

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0.00V，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＝1.00V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0.00V，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。

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–Vs内＝3.00-3.00＝0.00V，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内＝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。

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？

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？