Beijing Jiaotong University 计算机控制系统实验
炉温控制实验
学院：电子信息工程学院
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指导教师：
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炉温控制实验
一、实验目的
1、了解温度控制系统的特点。

2、研究采样周期T对系统特性的影响。

3、研究大时间常数系统PID控制器的参数的整定方法。

二、实验仪器
1、计算机控制系统实验箱一台
2、PC计算机一台
3、炉温控制实验对象一台
三、基本原理
1、系统结构图示于图1－1。

图1－1 系统结构图
图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）
Gh（s）=（1－e-TS）/s
Gp（s）=1/（Ts+1）
2、系统的基本工作原理
整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成，主要完成温度采集、PID运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。

炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在0～140V内变化。

可控硅的导通角为0～5CH。

温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。

外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与
闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。

3、PID递推算法：
如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法为:
Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1)
其中ek2是误差累积和。

四、实验内容：
1、设定炉子的温度在一恒定值。

2、调整P、I、D各参数观察对其有何影响。

五、实验步骤
1、启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。

2、测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3、20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温控制的电源。

4、在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制] 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择PID，在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及Ki、Kp、Kd值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。

测量系统响应时间Ts和超调量。

5、重复步骤4，改变PID参数，观察并记录波形的变化。

六、PID参数整定
1、比例部分整定。

首先将积分系数KI和微分系数KD取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。

将比例系数KP由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。

如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。

2、积分部分整定。

如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。

在整定时将积分系数KI由小逐渐增加,积分作用就逐渐增强,观察输出会发现,系统的静差会逐渐减少直至消除。

反复试验几次,直到消除静差的速度满意为止。

注意这时的
超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数KP。

3、微分部分整定。

若使用比例积分(PI)控制器经反复调整仍达不到设计要求,或不稳定,这时应加入微分作用,整定时先将微分系数KD从零逐渐增加,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数KP、积分系数KI,逐步试凑,直到满意为止。

七、实验结果
第一组
第二组
第三组
实验数据
八、结果分析
1、KP可以加快系统的响应，第一组KP最大，稳态时间也最短。

2、对比第二组和第三组，第二组超调比较大，所以第三组KP减小，超调也有所
减小。

3、第二组稳态时间较长，应是KI过大所致，所以第三组将KI减小，系统的稳态
时间明显减小了。

4、KP也对峰值时间造成影响。

KP越大，系统动态性能越好，但越容易造成超调。

相对于其他组，第一组KP最大，峰值时间最小，动态性能最好。

5、对比第一组和第二组，纯P调节过程容易出现震荡，PID三者调节更容易保持
系统的稳定性。

九、实验总结
通过这次试验，我真正接触了PID调节原理在实际中的应用，大大加深了自己对PID调节原理的理解和认识。

PID控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度,最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。

要使用好PID控制原理,关键在于根据实际情况确定PID的各种参数,这项工作可能是费时的,但做好了将会提高控制器的使用效果,达到较高的控制精度是值得的。

最后还要说，实验仪器的好坏对实验结果影响也是很大的，不同组的实验结果差异相当明显。