自控实践报告.docx

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自控实践报告

福州大学至诚学院

《自动控制系统认识实践》

题目：

自动控制系统认识实践

姓名：

学号：

系别：

电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2009

起讫日期：

2012年1月9日~1月13日

指导教师：

目录

1、自动控制系统认识实践任务书………………………………..2

2、认识实践目的和目标3

3、实践内容3

4、实践总结14

5、实践心得体会15

6、参考文献15

自动控制系统认识实践任务书

一．实验课程简介

《自动控制系统认识实践》是电气工程与自动化类专业的一门重要的专业实践选修课，是计算机控制、电气控制与PLC、过程控制、组态软件、计算机控制、数据通信与计算机网络等多学科的交叉综合应用实践，着重养学生的实践和综合应用能力，开拓学生学习积极性、主动性，为今后从事自动化系统打下良好的基础。

二．实验课程目标与基本要求

1）通过学习，让学生自己动手实践，实现自动控制系统严格规范的训练，使学生掌握自动控制系统的基本方法和基本技能。

2）通过学习，培养学生提出问题，查阅资料，设计方案，动手实践，观察现象，分析结果的能力，达到学生解决基本系统设计问题的学习目标。

三．实践方法

该课程实践以演示和验证为主。

学习自动控制系统的调试和分析。

四、实践内容

1、观看自动化流水线影像资料;

2、熟悉Me093399型机电一体化教学系统；Me093399型机电一体化教学系统是以工业生产中的自动化装配生产线为原型开发的教学、实验、实训综合应用平台。

本装置采用铝合金结构件搭建各分站主体设备，选取多种机械传动方式实现站间串联，整体生产线充分展现了实现工业生产中的典型部分。

系统控制过程中除涵盖多种基本控制方法外，还凸现组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等先进技术，为培养现代化应用型人才创设了完整、灵活、模块化、易扩展的理想工业场景。

完成本实训项目涉及到现场所需的诸多综合技术应用，如：

机械传动技术、电气控制技术、气动与液压技术、传感器的应用、PLC控制技术、过程控制技术和现代化生产中的组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等。

在项目设计时应由易到难，逐步深入，可从单站开展入手，到现场总线控制和对整个模拟生产线的实时监控。

3、工业全数字交流（直流）调速系统实践：

包括PLC、触摸屏与6SE70构成的控制系统实验；组态软件WinCC组态实验；S7-300与6SE70交流变频装置实验。

4、基于西门子PLC的过程控制系统实践。

以上实践的详细内容参考实验大纲和相关实验说明书。

1、认识实践目的和目标

《自动控制系统认识实践》是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业实践选修课，着重养学生的实践和综合应用能力，开拓学生学习积极性、主动性，为今后从事自动化控制系统打下良好的基础。

实验课程目标与基本要求

1）通过学习，让学生自己动手实践，实现自动控制系统严格规范的训练，使学生掌握自动控制系统的基本方法和基本技能。

2）通过学习，培养学生提出问题，查阅资料，设计方案，动手实践，观察现象，分析结果的能力，达到学生解决基本系统设计问题的学习目标。

2、实践内容

1、自动化学科概论

　老师介绍了自动化学科概论。

　自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。

作为一个系统工程，它由5个单元组成：

①程序单元。

决定做什么和如何做。

②作用单元。

施加能量和定位。

③传感单元。

检测过程的性能和状态。

④制定单元。

对传感单元送来的信息进行比较，制定和发出指令信号。

⑤控制单元。

进行制定并调节作用单元的机构。

自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、实验室自动化和家庭自动化等。

从自动化科学与技术学科的层面来审视、介绍了本科自动化专业所要学习的内容。

通过这里的介绍，使我们较深入地理解：

（1）自动化的内涵、外延与定位；

（2）自动化科学与技术的基本原理与核心概念；（3）自动化学科的知识体系、知识元及其相互关系；（4）自动化专业的课程体系、主要课程及其相互关系；（5）自动化科学技术、自动化专业与相关科学技术、相关专业之间的联系与区别，并对现代自动化科学与技术的发展有一个大概的了解

2.数字化PID控制系统

1.老师还介绍了PID的相关知识。

PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、积分、微分控制的简称。

在自动控制领域中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。

图1是常规PID控制系统的原理图。

图1

其中虚线框内的部分是PID控制器，其输入为设定值

与被调量实测值

构成的控制偏差信号

:

=

-

（1）

其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合，也即PID控制律：

（2）

式中，

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

根据被控对象动态特性和控制要求的不同，式

（2）中还可以只包含比例和积分的PI调节或者只包含比例微分的PD调节。

下面主要讨论PID控制的特点及其对控制过程的影响、数字PID控制策略的实现和改进，以及数字PID控制系统的设计和控制参数的整定等问题。

2.数字PID控制算法

在连续生产过程控制系统中，通常采用如图1所示的PID控制，其对应的传递函数表达式为

（7）

对应的控制算法表达式为

（8）

式中，

为比例增益；

为积分时间常数；

为微分时间常数；

为控制量；

为被控量与设定值

的偏差。

为了便于计算机实现PID算法，必须将式（3）改写为离散（采样）式，这可以将积分运算用部分和近似代替，微分运算用差分方程表示，即

（9）

（10）

式中，T为采样周期；k为采样周期的序号（k=0,1,2...）；

和

分别为第和第k个采样周期的偏差。

将式（9）和式（10）代入式（8）可得相应的差分方程，即

（11）

式中，

为第k个采样时刻的控制量。

如果采样周期T与被控对象时间常数比较相对较小，那么这种近似是合理的，并与连续控制的效果接近。

模拟调节器很难实现理想的微分

，而利用计算机可以实现式（10）所表示的差分运算，故将式（11）称为理想微分数字PID控制器。

基本的数字PID控制器一般具有以下两种形式的算法。

图2位置型算法流程图

（1）位置型算法

模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量u都对应于执行机构（如调节阀）的位置。

由式（11）可知，数字控制器的输出控制量

也和阀门位置相对应，故称为位置型算式（简称位置式）。

相应的算法流程图如图2所示。

由图2可以看出，因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加，因此，利用计算机实现位置型算法不是很方便，不仅需要占用较多的存储单元，而且编程也不方便，因此可以采用其改进式——增量型算法来实现。

（2）增量型算法

根据式（11）不难得到第（k-1）个采样周期的控制量，即

（12）

将式（11）与式（12）相减，可以得到第k个采样时刻控制量的增量，即

（13）式中，

为比例增益；

为积分系数，

；

为微分系数，

。

由于式（13）中对应于第k个采样时刻阀门位置的增量，故称式（13）为增量型算式。

由此，第k个采样时刻实际控制量为

（14）

为了编写程序方便，将式（13）改写为

（15）

式中，

；

；

。

由此可见，要利用

和

得到

，只需要用到

和

三个历史数据。

在编程过程中，这三个历史数据可以采用平移法保存，从而可以递推使用，占用的存储单元少，编程简单，运算速度快。

增量型算法的程序流程图如图3所示。

增量型算法仅仅是在算法设计上的改进，其输出是相对于上次控制输出量的增量形式，并没有改变位置型算法的本质，即它仍然反映执行机构的位置开度。

如果希望输出控制量的增量，则必须采用具有保持位置功能的执行机构。

数字PID控制器的输出控制量通常都是通过D/A转换器输出的，在D/A转换器中将数字信号转换成模拟信号（4～20mA的电流信号或0～5V的电压信号），然后通过放大驱动装置作用于执行机构，信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。

因此，D/A转换器具有零阶保持器的功能。

图3增量型算法流程图

3.PID控制器的参数整定

　　PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数

3、观看自动化流水线影像资料;

我们观看了大众汽车的自动化流水线影像、机械手机器人的工作等。

在所看的影像里它们的运行过程几乎没看到人的参与，都是自动化的。

机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。

自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。

采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

4、参观福州大学工业自动化网络实验室、自动控制系统设备

福州大学工业自动化网络实验室，以西门子自动化设备为基础，基本包含了西门子全集成（TIA）自动化，其中上位机采用的是SIEMENSWinCC组态软件，实现人与机的信息交互，通过组态，可在画面上轻松的实现对设备的监控。

1、Me093399型机电一体化教学系统；

Me093399型机电一体化教学系统是以工业生产中的自动化装配生产线为原型开发的教学、实验、实训综合应用平台。

本装置采用铝合金结构件搭建各分站主体设备，选取多种机械传动方式实现站间串联，整体生产线充分展现了实现工业生产中的典型部分。

系统控制过程中除涵盖多种基本控制方法外，还凸现组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等先进技术，为培养现代化应用型人才创设了完整、灵活、模块化、易扩展的理想工业场景。

我们观看了看到的是一个由模仿三个工厂生产程序PLC控制的一个实验室其大概流程为：

首先是上料出料过程，plc控制各个传感器检测和判断是否符合条件，如光电传感器判断是否有材料进入，后通过一些复杂的机械或者位置控制，出料，然后传送，后面检测位置开关作用，机械臂作用，为一个盒子盖上盖子，继续通过电轴传动，然后通过气压挤压的方式弹入棍棒，后面通过摄像机扫描与标准器件进行判断，看加工的物体是否是合格的，然后通过再机械臂转动带动物体，进入包装环节，后面根据物体是否是合格品，进行分类，入仓库。

通过在龙洲教学模拟流水线上嵌入一套RFID无线射频系统RF300系列，专用于生产线物流跟踪，产品资料保存，产品追踪等，通过提供的案例与程序及实验指导，能让使用者感受到实际工厂生产线的控制方法，感受RFID系统在实际生产线的控制与应用方法。

完成本实训项目涉及到现场所需的诸多综合技术应用，如：

机械传动技术、电气控制技术、气动与液压技术、传感器的应用、PLC控制技术、过程控制技术和现代化生产中的组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等。

在项目设计时应由易到难，逐步深入，可从单站开展入手，到现场总线控制和对整个模拟生产线的实时监控。

2、工业全数字交流（直流）调速系统：

其包括PLC、触摸屏与6SE70构成的控制系统实验；组态软件WinCC组态实验；S7-300与6SE70交流变频装置实验。

我们看到的PLC采用的是西门子现阶段最常用的PLC，小型机S7200，中型机S7300，大型机S7400，并且带有分布式I/OET200S，采用的总线为PROFIBUS-DP及西门子开发基于以太网的总线PROFINET,可实现实时及等时通信，S7300与400均集成了分布式I/O控制器接口DP与ProFiNET，另外S7200/300/400均配置了以太网模块，用于组建以太网网络，用于连接编程电脑进行程序上下载及与WinCC通信，并且均配置了西门子X208交换机，支持PROFINET，本身便可以作为一个节点并可设置一个IP地址。

而触摸屏采用TP177BPN/DP彩色系列，通过安装本次提供的软件WinCCflexible可以轻松简单的进行画面组态,操作简单灵活。

驱动采用通用型变频器MicroMaster系列及交直流调速系列MasterDriver，通过配置DP通信板直接与PLC连接，作为DP的一个从站节点，实现使用通信来控制，而无需接线。

3、基于西门子PLC的过程控制系统。

本次参观据指导老师介绍：

是根据现有的控制设备与受控设备，并且以自动化网络为主题，将每个实验室中的各台PLC进行互联，而又对各实验室间进行互联，实现所有实验室的PLC全部在同一个主网络上，通过以太网进行连接，主交换机位于过程控制实验室内（北313）而各个PLC间又各自带有子网络，如PROFIBUS网，PROFINET等子网。

在主网上各PLC的IP地址均是唯一，不可重复，全部由各个PLC的以太网扩展模块（S7400使用PN接口）进行通信，而在各PLC的子网上，无论是PROFINET或者PROFIBUS均可以相互独立组网，互不相干，如果各个节点的PLC所带的子网设备是相同的话，那么这两个PLC的子网地址以及硬件组态可以一样，因为它们不会相互冲突，子网这间没有物理连接，例如过程实验室中的所有300PLC的子网地址组态为相同。

三间实验室在主网上的PLC共有8台，其中S7300*7台，S7400*1台，而S7200均分布在各个主节点PLC的子网下

5、连续性系统的设计

设单位反馈系统的开环传递函数G（S）=Ｋ／s（0.1s+1）（0.01s+1）。

设计一串联校正装置，使系统特性满足如下指标：

（1）静态速度误差系数Kv>=250/s;

（2）截止频率Wc≥30rad/s;

（3）相角裕度γ>=45°。

设计：

由给定的条件

（1），取K=250

系统校正前的对数幅频渐进特性如下：

截止频率为：

Wc=50

系统不稳定，需要加串联校正装置。

设校正后系统的截止频率为：

Wc=50，校正后系统希望的对数幅频渐进曲线如下：

校正后的系统函数为：

选取W2=5

所以校正后的系统传递函数为：

这时

经计算得到W3=217

校正装置传递函数为：

利用simulink仿真

未校正的其仿真方框图为

其输出图像，为不稳定情况：

输出经调整器稳定输出，其仿真框图：

其输出图像：

3、实践总结

这周的认识实践，主要内容有自动控制系统分析；观看影像资料；自动化学科概论；数字化PID控制系统；翻译英文资料；学生分组进行4个项目的学习、实践。

分别为：

Me093399型机电一体化教学系统、工业全数字交流（直流）调速系统设计、西门子PLC的过程控制系统、倒立摆自动控制实验装置。

扩展了我的知识面，给以学习的书本理论知识给予了一个很好的补充。

让我间接进入了工厂生产地了解生产过程和设备。

对生产设备有了由感性渐渐到理性的认识，对专业知识的学习打下有力的基础，为日后的专业课埋下伏笔。

4、实践心得体会

认识实践是我们学习专业课的基础，我们能够学到很多书本中学不到的东西。

通过这次实践我了解了我们专业方向的主要内容，加深了对专业的了解，提高了

够在以后的设计过程中体会到更多东西。

最后还要感谢学校给的此次机会和指导老师们体贴的照顾和细心的讲解，让我真正学到了很多本专业方向里的知识。

5、参考文献

1、刘空，常用低压电器与可编程序控制器，西安电子科技大学出版社，2005.2

2、徐兵，过程控制，机械工业出版社，2004.

3、马国华，监控组态软件及其应用，清华大学出版社，2007.

4、胡寿松主编，《自动控制原理》，科学出版社，北京，2008年第4版.

4、实验设备说明书.