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1、典型的控制系统实例典型的控制系统实例 温度位式控制系统温度位式控制系统 基于智能仪表温度连续控制系统基于智能仪表温度连续控制系统 双容水箱液位双容水箱液位PIDPID控制系统控制系统 上、下水箱液位串级控制系统上、下水箱液位串级控制系统 PLCPLC上、下水箱液位串级控制上、下水箱液位串级控制 温度位式控制系统温度位式控制系统 一、实验目的一、实验目的 1 1、了解二位式温度控制系统的结构与组成。、了解二位式温度控制系统的结构与组成。 2 2、掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。、掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。 三、实验原理三、实验原理 1 1、 温度传感器温度传感器 温度测量通
2、常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电 阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关 系式为：系式为： RtRtRt01+(tRt01+(t- -t0) t0) 式中式中 RtRt温度为温度为t( t(如室温如室温20)20)时的电阻值；时的电阻值； Rt0Rt0温度为温度为t0(t0(通常为通常为0)0)时的电阻值；时的电阻值； 电阻的温度系数。电阻的温度系数。 可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化，这样只要设法可见，由于温度的
3、变化，导致了金属导体电阻的变化，这样只要设法 测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。 虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们 并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电 阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应 具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度 的变
4、化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际 上是有困难的。上是有困难的。 根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装 臵使用的是铂电阻元件臵使用的是铂电阻元件PT100PT100，并通过温度变送器将电阻值的变化转，并通过温度变送器将电阻值的变化转 换为电压信号。换为电压信号。 在在0 0 650650的温度范围内的温度范围内，铂电阻与温度的关系为铂电阻与温度的关系为， RtRtRtRt0 0( (1 1+At+Bt+At+Bt2 2+Ct+Ct3 3) ) 式
5、中式中 RtRt温度为温度为t( t(如室温如室温2020) )时的电阻值；时的电阻值； RtRt0 0温度为温度为t t0 0( (通常为通常为0 0) )时的电阻值；时的电阻值； A A、B B、C C是常数是常数，一般一般A=A=3 3. .9080290802* *10103131/ /，B=B=- -5 5. .802802* *10107171/ /， C=C=- -4 4. .27352735* *1010121121/ /。 二位控制是位式控制规律中最简单的一种控制规律，实际中常用。二位控制是位式控制规律中最简单的一种控制规律，实际中常用。 本实验的本实验的 被控对象是锅炉被控
6、对象是锅炉 被控制量是复合水箱内套中的水温被控制量是复合水箱内套中的水温T T 温度变送器把被控制量温度变送器把被控制量T T转变为反馈电压转变为反馈电压ViVi，它与二位调节器设定的上，它与二位调节器设定的上 限输入限输入VmaxVmax 和下限输入和下限输入VminVmin比较，从而决定二位调节器的输出信号；比较，从而决定二位调节器的输出信号； 调节器的输出电压调节器的输出电压V V0 0（5V5V）作为执行元件的控制信号。）作为执行元件的控制信号。 V V0 0与与VminVmin和和VmaxVmax 的关系如图的关系如图4 4- -1 1所示，图所示，图4 4- -2 2为位式控制系统
7、的方块图。为位式控制系统的方块图。 图图4 4- -1 1、V V0 0与与VminVmin、VmaxVmax、ViVi关系图关系图 图图4 4- -2 2、位式控制系统的方块图、位式控制系统的方块图 由图由图4 4- -1 1可见，可见，V V0 0与与ViVi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图 4 4- -2 2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开” 或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。
8、该系统的工作原理是：该系统的工作原理是： 当被控制的水温当被控制的水温T T减小到小于设定下限值时，即减小到小于设定下限值时，即ViVminViVmin时，调节器时，调节器 的输出为的输出为V V0 0（5V5V），执行元件（固态继电器）接通，使电热丝接通），执行元件（固态继电器）接通，使电热丝接通 220V220V电源加热（如图电源加热（如图4 4- -3 3所示）。所示）。 随着水温随着水温T T的升高，的升高，ViVi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即 ViVmaxViVmax时，则两位调节器的输出时，则两位调节器的输出V V0 0由由5V5
9、V降到降到0V0V，此时固态继电器释，此时固态继电器释 放，切断电热丝的供电。放，切断电热丝的供电。 由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，故只是在对控制质量由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，故只是在对控制质量 要求不高的系统才使用。要求不高的系统才使用。 基于智能仪表温度连续控制系统基于智能仪表温度连续控制系统 工作原理：与工作原理：与AIAI- -708708基本相同，不同的是基本相同，不同的是 AIAI- -818818输出的是输出的是0 0- -5V5V连续的的电压信号，连续的的电压信号， 然后去控制单相移相调压模块的输出电然后去控制单相移相调压模块的输出电 压，当智能仪表
10、输出压，当智能仪表输出0V0V电压时，单相移电压时，单相移 相调压模块没有输出；当智能仪表输出相调压模块没有输出；当智能仪表输出 5V5V电压时，单相移相调压模块输出电压时，单相移相调压模块输出220V220V 电压。所以，当智能仪表的控制信号从电压。所以，当智能仪表的控制信号从0 0- - 5V5V线性变化时单相移相调压模块的输出线性变化时单相移相调压模块的输出 电压也从电压也从0V0V- -220V220V变化，变化，Pt100Pt100把实时检测把实时检测 到的温度值变换为电压信号输出到到的温度值变换为电压信号输出到AIAI- -818818 的输入端作为反馈信号。的输入端作为反馈信号。
11、 双容水箱液位双容水箱液位PIDPID控制系统控制系统 双容水箱液位双容水箱液位PIDPID控制系统控制系统 双容水箱液位双容水箱液位PID控制系统控制系统 流量流量PIDPID控制系统控制系统 涡轮流量计涡轮流量计 它主要由壳体、前导向架、它主要由壳体、前导向架、 叶轮、后导向架、压紧圈和叶轮、后导向架、压紧圈和 带放大器的磁电感应转换器带放大器的磁电感应转换器 等组成。当被测流体流经传等组成。当被测流体流经传 感器时，传感器的叶轮借助感器时，传感器的叶轮借助 于流体的动能而产生旋转，于流体的动能而产生旋转， 叶轮周期性的改变磁电感应叶轮周期性的改变磁电感应 系数中的磁阻值，从而使通系数中的
12、磁阻值，从而使通 过线圈的磁通量周期性的发过线圈的磁通量周期性的发 生变化而产生电脉冲信号，生变化而产生电脉冲信号， 并经放大器放大后传送至相并经放大器放大后传送至相 应的流量积算仪表，进行量应的流量积算仪表，进行量 或总量的计量。或总量的计量。 流量控制系统方框图流量控制系统方框图 负反馈控制系统的一个主要优点是输出量（被控制量）负反馈控制系统的一个主要优点是输出量（被控制量） 经检测元件检测后反馈到系统的输入端与给定值相比经检测元件检测后反馈到系统的输入端与给定值相比 较，所得的偏差信号经调节器处理后变成一个对被控较，所得的偏差信号经调节器处理后变成一个对被控 过程控制的信号，从而实现被控
13、制量排除系统内外扰过程控制的信号，从而实现被控制量排除系统内外扰 动的影响而保持基本不变的目的。动的影响而保持基本不变的目的。 流量控制系统与液位控制系统一样，它的控制质流量控制系统与液位控制系统一样，它的控制质 量完全取决于所用调节器的结构和参数。比例调量完全取决于所用调节器的结构和参数。比例调 节器是调节比例度节器是调节比例度 来实现对系统的控制。一般来实现对系统的控制。一般 言之，言之， 越小，系统的余差也越小，但超调量等越小，系统的余差也越小，但超调量等 动态性能指标变差。反之，动态性能指标变差。反之， 越大，系统的余差越大，系统的余差 也越大，系统的动态过程缓慢，超调量变小。比也越大
14、，系统的动态过程缓慢，超调量变小。比 例积分（例积分（PIPI）调节器产生的控制作用有）调节器产生的控制作用有2 2 个部分：个部分： 与偏差成比例部分和偏差的积分部分。由于积分与偏差成比例部分和偏差的积分部分。由于积分 的作用，可使系统无余差产生，但积分时间常数的作用，可使系统无余差产生，但积分时间常数 不能太小，否则会使系统的动态性能变差，甚至不能太小，否则会使系统的动态性能变差，甚至 会不稳定。会不稳定。 比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）调节器既可以）调节器既可以 实现系统无余差，又能改善系统的稳定度和响应实现系统无余差，又能改善系统的稳定度和响应 的快速性，其可调参数有的快速
15、性，其可调参数有3 3 个：个： 、Ti Ti 和和TdTd。 流量控制系统结构图流量控制系统结构图 上、下水箱液位串级控制系统上、下水箱液位串级控制系统 图图为一液位串级控制系统的方框图）。这种系统具有为一液位串级控制系统的方框图）。这种系统具有2 2个调节器，主、副两个个调节器，主、副两个 被控对象，被控对象，2 2个调节器分别设臵在主、副回路中。设在主回路的调节器称为主调个调节器分别设臵在主、副回路中。设在主回路的调节器称为主调 节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输 出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统出作为副回路的给定量，副调节器的输出去控制执行元件。主对象的输出为系统 的被控制量的被控制量h2h2，副对象的输出，副对象的输出h1h1是一个辅助的被控变量。是一个辅助的被控变量。 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主 调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择 控制规律的基本出发点。控制规律的基本出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要主参数是工艺操作的主要指标，允许
