单闭环系统的PID调节自动控制系统课程设计.docx

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单闭环系统的PID调节自动控制系统课程设计

自动控制系统课程设计

设计题目：

单闭环系统的PID调节

第一章摘要

1.1课程设计地点………………………………………………3.

1.2实验室介绍…………………………………………………3

1.3应用软件介绍………………………………………………3

1.4设计目的……………………………………………………4

1.5设计任务……………………………………………………4

1.6设计要求……………………………………………………5

第二章课程设计正文………………………………………….5

2.1梯形图……………………………………………………...5

2.1.1自锁…………………………………………………..5

2.1.2两台鼓风机轮流工作（带时间累加的）…………..62.1.3流水灯………………………………………………...82.1.4交通灯………………………………………………...10

2.2功能块图形………………………………………………...122.2.1比较器………………………………………………...13

2.2.2乘法器………………………………………………...132.2.3运算器………………………………………………...142.2.4一阶PID………………………………………………152.2.5二阶PID………………………………………………192.2.6带延迟及自动扰动的PID……………………………25

第三章PID的调节方法……………………………………….27

第四章课程设计的收获与体会（附参考文献）……………32

第一章摘要

1、课程设计地点：

东北大学罗克韦尔自动化实验室

2、实验室简介：

1999年9月，东北大学与美国罗克韦尔自动化公司合作建立了“东北大学—罗克韦尔自动化联合实验室”。

该实验室占地面积400平方米，其设备由罗克韦尔自动化公司捐赠（总价值75万美元），包括工控机、可编程逻辑控制器、变频器、智能马达控制器、变速器等处于世界自动化领域领先水平的系列产品。

结合自动化专业的特点，实验室进行了不断的改进与完善。

经过“九五”211工程、“十五”211工程和“985”一期、二期工程的建设，东北大学罗克韦尔自动化实验室已具备世界一流的实验设备、一流的实验环境。

目前，实验室云集了博士、硕士和本科生等各专业的学生,从这里毕业的学生在就业市场上大受欢迎，纷纷被有影响的大公司（罗克韦尔自动化、西门子、摩托罗拉、西马克、华维等）录用。

[

3、应用软件介绍：

RSLogix5000是AB开发的应用于SLC500型中型PLC和Micrologix系列小型PLC的编程软件。

具有结构简单，条理清晰，功能强大等优点。

它具有以下特点：

1统一的项目查看

2灵活的梯形图编辑器

3拖放式操作

4梯形图查看选项

5定制数据监视

6状态文件分类显示

7简易的通讯配置

8强大的数据库编辑器

9查找与替换

10直观的windows界面

11项目校验快捷地更正程序错误等。

4、设计目的

通过课程设计，了解单闭环控制系统的组成和工作原理，学会使用LOGIX5000软件。

并学会通过模拟操作软件赖调节PID参数，达到控制的目的。

了解软件的指令，通过编写程序来实现若干功能的电路。

掌握基于一、二阶典型系统的工程设计方法，掌握工作原理与工程设计方法。

并通过调节系统参数，了解系统的静、动态特性分析方法及工作原理，加深对自动控制系统的领悟。

5、设计任务

第一节梯形图

1.1自锁1.2两台鼓风机轮流工作（带时间累加的）1.3流水灯1.4交通灯第二节.功能块图形2.1比较器2.2乘法器2.3运算器2.4一阶PID2.5二阶PID2.6带延迟及自动扰动的PID

6、设计要求

根据视频所教授的指令以及老师的指导，以小组为单位独立完成实现若干个功能的电路。

熟练掌握梯形图、趋势图和功能块。

并用自己所学过的知识完成一阶PID和二阶PID控制系统，并且学会调节PID参数，已达到控制的目的。

第二章课程设计正文

一、梯形图设计：

1.1自锁

在通常的电路中，按下开关，电路通电；松开开关，电路又断开了。

一旦按下开关，就能够自动保持持续通电，直到按下其它开关使之断路为止；这样的电路，称为自锁电路。

实验电路梯形图：

图1.1自锁电路图

电路功能介绍：

按下start键，灯light1亮。

自锁功能块为ONS。

关上start键，由于自锁作用，灯不会熄灭。

但是按下stop键，灯light1会熄灭。

这个电路就实现了自锁功能。

1.2两台鼓风机轮流工作（带时间累加的）

应用到的指令介绍:

RTO计时器指令RES指令

RTO:

RTO是保持性计时器指令，就是当梯级条件消失时，计数器不复位。

等到梯级条件再次成立，累加值会在原来停止的值上再次累加。

此指令常用于时间的积累。

指令如图所示：

RES：

RES指令用于计时器和计数器复位，即使累加值和结构体状态全部清零。

但不适用于TOF指令。

指令如图：

实验电路梯形图:

图1.2两台鼓风机轮流作业图

电路功能介绍：

当按下start键，由于选择的是中间继电器a的常闭开关，RTO开始计时。

RTO（t1）指令中的TT位在计时过程中置1，而当累加值到达预定值时，置0。

所以在计时的过程中与TT相连接的q1工作，q2不工作。

等到达到预定值20秒，RTO指令中的DN由原来的置0改为置1，TT变为置0，这样，中间继电器a接通，复位指令RES（t1）接通，RTO（t1）全部复位。

并且DN置1导致a的常开开关接通，RTO（t2）开始计时。

RTO（t2）的TT位置1，导致q2开始工作。

当到达预定值20秒后，RTO（t2）的DN位开始置1，触发了t2的复位开关，RTO（t2）全部复位，中间继电器a导通，导致RTO（t1）的a的常闭开关闭合，RTO（t1）重新工作。

如此循环，就是两台鼓风机轮流工作的原理。

1.3流水灯

使用的指令介绍：

TON指令CMP指令

TON：

TON是常用的计时器指令，用来延时或定时，该指令如图：

在TON指令中，PRE为预定值位，ACC为累加位，EN为使能端位，TT为计时位，正在计时时置1，否则置0。

DN为完成位，到达预定值时置1。

CMP：

CMP为比较指令，当计时器的计数值达到CMP指令的接通条件时，所在支路接通。

指令如图，此指令触发的条件是ACC大于等于1000毫秒。

实验电路梯形图：

图1.3流水灯作业图

流水灯介绍：

若干个小灯依次点亮

电路功能介绍：

本电路是实现流水灯作业。

电路下载完成后由于与TON相连的是TON中DN的常闭开关，所以TON开始即计时。

累加值ACC大于0时，灯q1亮；当累加值ACC大于1000毫秒时，灯q2亮；当累加值大于2000毫秒时，灯q3亮;当累加值大于3000毫秒时，灯q4亮;当累加值大于4000毫秒时，灯q5亮;当累加值大于5000毫秒时，灯q6亮。

如此一来，6盏灯依次点亮。

成为流水灯作业。

1.4交通灯

使用的指令介绍：

同流水灯作业

实验电路梯形图：

图1.4.1交通等作业图

图1.4.2交通灯作业硬件连接图

交通灯的原理：

交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。

绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。

本电路采取30秒为一周期。

在时间小于15秒时，路1的红灯亮，前10秒路2的绿灯亮，10~15秒时路2的黄灯亮，绿灯灭。

15秒后，路1的绿灯亮，红灯灭。

路2的红灯亮，依次循环。

电路功能介绍：

CMP的时钟周期为30秒。

与TON延时计时器相连接的是TON的DN位的常闭开关。

故当电路下载完成后计时器就开始工作。

小于15秒时，与red1相连的CMP开始工作，red1亮。

在15~25秒之间，采用两个比较器，此时green1亮。

大于25秒时，yellow1亮。

此为路1的交通灯工作周期。

同时在10秒以内，与green2相连的CMP接通，green2亮。

在10~15秒之间，yellow2亮。

15秒之后，与red2相连的CMP接通，red2亮。

此为路2的工作周期。

二、功能块图形

2.1比较器比较器的功能块图形如下：

图2.1比较器功能模块图

电路介绍：

如图所示，模块图由定时器TONR和比较器GRT组成，该图实现的功能是比较数据bb和cc的大小，将定时器的给点端给一个要定时的数，即其中一个要比较的数，接在PRE端，将定时器复位端Reset接比较器GRt目标端Dest，定时器计数端ACC接比较器其中一个比较数SourceA，而比较器另一个比较端SourceB给一个要比较的数，定时器的DN端当ACC计数到PRE端数值时，DN就会输出一个脉冲，在此处不用DN。

电路功能功能实现：

当线路接通后，定时器计数端ACC开始计数，比较器开始将SourceA端和SourceB端进行比较，若bb大于cc，也就是SourceA大于SourceB，则当计数端ACC计到开始大于bb时比较器Dest端则给出一个脉冲到定时器的复位端Reset，使定时器计数端ACC归零，如果bb小于cc，即SourceA小于SourceB，则计数端计到bb后比较器Dest端不会输出脉冲，定时器计数端就不会归零。

由此即可判断给定值bb和cc的大小关系。

2.2乘法器

乘法器的功能块图形如下：

图2.2乘法器功能模块图

设计思路：

这个设计主要是体会功能块图简单可视，我们主要运用了一个MUL器件，它的功能就是让SOURCE1和SOURCE2两个端口的数值做乘法，然后从DEST这个端口输出结果数值，这个器件还有两个使能端，一个是ENABLEIN,一个是ENABLEOUT，分别是输入输出使能端，我们如果想让乘法器工作的话，我们必须将两个端口置1，如图所示，我们在SOURCE两个端口分别接了两个输入元件，并且分别置值为2，2当我们将整个程序下载到plc中，我们会发现DEST输出的结果为4。

2.3运算器

图2.3运算器功能模块图

电路介绍：

该模块图可以实现加减乘除四则运算功能，分别用到加法器ADD，减法器SUB，乘法器MUL和除法器DIV，以及选择器ESEL将给定的两个数分别与加减乘除器的SourceA端和SourceB端相连接，而加减乘除的四个目标输出端分别与选择器的四个选择端ln1，ln2，ln3，ln4相连接，将选择器的ProgProgReq端设为1，输出端Out连接一个输出结果result，线路完成。

功能实现：

线路接通后，四则运算器开始运算，运算结果分别连接在ln1，ln2，ln3，ln4上，然后将选择器的ProgSelector端设为1，则result端会输出与ln1端相连的ADD结果，如将ProgSelector端设为2，则result端会输出与ln2端相连的SUB结果，如将ProgSelector端设为3，则result端会输出与ln3端相连的MUL结果，如将ProgSelector端设为4，则result端会输出与ln4端相连的DIV结果，实现四则运算。

2.4一阶PID

电路模块图：

设计思路：

在做这个的时候，我们的课设已进入到主题，就是PID的调节阶段，这是一个一阶PIDE的功能模块图，这个PIDE元器件集成了很多的功能，首先有比例作用的参数调节端PGain，积分作用的参数调节端IGain，还有微分的参数调节端口DGain。

如图我们把适当的值给PIDE的IGain、DGain、PGain三个端口。

SPProg为给定值的端口，即闭环的的设定值。

LDLG功能块是一个超前滞后的功能块，在PID的调节中，因为我们需要控制一个被控对象，假如被控对象的传递函数为

，此设计中我们假设被控对象的

=3，我们只需要调节LDLG中的lag的值等于3，此时我们可以把LDLG看成是被控对象。

连线：

我们将LDLG的out端口接到PIDE的pv端口，PIDE的cveu的端口接到LDLG的in端口。

参照上图：

我们可以清晰的看到PIDE相当于控制器和执行器，LDLG相当于被控对象，因此设定值即图中的setpoint，PIDE的cveu和LDLG的in端口的值相当于操纵量，LDLG的out和PIDE的pv端口的值相当于是测量值。

LDLG的参数调节如下：

图2.4.2LDLD参数调节

PIDE的参数调节如下：

注：

PIDE的一些参数需要更改，因为PIDE功能比较集成强大，而我们需要的只是PIDE器件中的PID作用，因此我们要作如下的更改。

Auto的Value值改成1，ProgProgReq的Value值改成1，ProgAutoReq的Value值改成1，这样我们PIDE元件将会实现自动的PID调节。

图2.4.3PID参数

为了观测我们所设定的IGain、DGain、PGain三个端口的值是否合适，需要有一个直接的观测，即：

动态的响应曲线，因此我们要建立一个趋势图观测我们的得到的动态的响应曲线，经过分析只需要监测两个端口即可，它们是PIDE的cveu和pv，我们得到的趋势图如下图：

图2.4.4一阶PID趋势图

对于PID参数的调节，需要一定的经验我的经验是先将PI的值设大一些,之后逐渐减少，先设定I和D参数为0，P参数设小点，观察一下控制流量的效果，如果响应过慢的话，再适当加大P值和I值。

如果反复振荡，则减小P值，加大I值；D值就为0，可以不管。

要达到好的效果，只能慢慢试，耐心点。

当我们达到第一个波峰的超调是第二个波峰超调的4倍时即是我们想要的结果。

2.5PID二阶调节

电路功能模块图：

图2.5.1二阶PID模块图

图2.5.2

图2.5.3

参数设定如下：

LDLG-01的参数为Lead设为0.0Lag设为3.0其他默认

LDLG-02的参数为Lead设为0.0Lag设为3.0其他默认

下图为PID参数截图

图2.5.4参数截图

PIDE参数设定：

ProgProgReq设为1ProgAutoReq设为1Auto设为1

功能实现：

该图中，LDLG-01和LDLG-02分别为两个惯性系统被控对象，构成二阶系统，PIDE为控制器，具有比例，积分和微分调节，通过设定比例系数，积分系数和微分系数来使系统输出达到一定的要求。

在该系统中，所要达到的要求为趋势图中PIDE的输出PV曲线的第一个波峰和设定值的差值与第二个波峰和设定值的差值为4:

1的关系，经过不断的实验设定，最后将比例系数设为0.4，积分系数设为25.0，微分系数设为0.0，可以得到所需要的趋势图。

图2.5.5趋势图

在该图中，PV波形的第一个波峰值为71，第二个波峰值为65，基本达到要求。

设计成功。

介绍：

用到两个二阶惯性系统被控对象和一个PIDE调节器。

将两个惯性系统LDLG-01和LDLG-02连接起来，LDLG-02的Out输出端连接LDLG-01的ln输入端，将LDLG-02的ln端，将LDLG-02的ln端接在调节器PIDE的输入CVEU端，将LDLG-01的Out端接在PIDE的输出PV端，再给定一个设定值setpoint连接到PIDE的SPProg端，最后将需要调节的比例系数，积分系数和微分系数分别连在PGain端，IGain端，DGain端，通过调节比例系数，积分系数和微分系数来使PIDE的输出端PV输出的波形曲线中第一个波峰与设定值的差值与第二个波峰和设定值的差值为4:

1的关系，则实现了对系统调节的要求。

图2.5.6二阶模块图参数：

2.6带延迟及自动扰动PID

图2.6.1带延迟扰动的二阶PID功能模块图

设计思路：

这个设计主要是在2.4一阶PID设计的基础上我们添加了一个死区时间功能块DEDT，同时我们想给系统加上一个扰动，观测系统是否可以重新回到稳定的状态上来，因此我们在观察出稳定的大概时间，设计了一个计时一段时间，当计时结束然后触发选择功能块SEL，在选择功能块OUT输出端送出一个数给加法器功能块，此功能快夹在DEDT和LDLG之间，因此相当于是一个扰动的加入。

PID的参数设定如下IGain=170、DGain=0、PGain=0.1.

选择功能块参数设定如下图：

如图可知，当我们设定好in1=20时，当选择器被触发，将会有20从dest端口送出，进入加法器。

DEDT的参数设定：

（死区时间设定为5.0）

可能是死区时间设置的比较短所以死区的效果不明显。

连线结束后，我们来观测趋势图如下：

图2.6.2二阶PID趋势图

第三章PID的调节方法

●在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

●你先设定I和D参数为0，P参数设小点，观察一下控制流量的效果，如果响应过慢的话，再适当加大P值和I值。

如果反复振荡，则减小P值，加大I值；D值就为0，可以不管。

要达到好的效果，只能慢慢试，耐心点。

●PID参数设定直接影响流量的稳定度，PI设定值大电动阀稳定，PI设定值小电动阀灵敏。

要根据工艺流程来设定。

●pid的设定需要一定的经验我的经验是先将PI的值设大一些,之后逐渐减少.

●PID是比例，积分，微分的缩写，

　　Uo（N）=P*E（N）+I*[E（N）+E（N-1）+...+E（0）]+D*[E（N）-E（N-1）]

　　E-误差

　　P--改变P可提高响应速度，减小静态误差，但太大会增大超调量和稳定时间。

　　I--与P的作用基本相似，但要使静态误差为0，必须使用积分。

　　D--与P,I的作用相反，主要是为了减小超调，减小稳定时间。

　　三个参数要综合考虑，一般先将I,D设为0，调好P,达到基本的响应速度和误差，再加上I,使误差为0，这时再加入D,三个参数要反复调试，最终达到较好的结果。

不同的控制对象，调试的难度相差很大，祝好运！

●PID调试步骤

　　PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。

调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。

　　由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。

下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤：

　　1．负反馈

　　自动控制理论也被称为负反馈控制理论。

首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。

例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。

其余系统同此方法。

　　2．PID一般表达式

　　PID模拟算法：

U（t）=P*[e（t）+1/Ti*∫0te（t）dt+Td*de（t）/dt]

　　PID数字算法：

U（K）=P*{[e（K）-e（K-1）+Ts/Ti*e（K-1）+Td/Ts*[e（K）-2e（K-1）+e（K-2）]]}+U（K-1）

　　其中P为比例增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；PID调节器要调节的也就是这三个参数。

e（t）为输入误差；Ts为数字PID运算的采样周期。

　　3．PID调试一般原则

　　a.在输出不振荡时，增大比例增益P。

　　b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。

　　c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

　　4．一般步骤

　　a.确定比例增益P

　　确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。

输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

比例增益P调试完成。

　　b.确定积分时间常数Ti

　　比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。

记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。

积分时间常数Ti调试完成。

　　c.确定积分时间常数Td

　　积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。

若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

　　d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

●温度是个大惯性变量,用PLC自身的PID模块控制没有问题主要是参数要设得合适,对大惯性变量P参数要设小,I参数要设大.具体设多少,要在现场摸索.总之用PLC的PID模块一定没问题.

●P:

Kc增大,系统余差减小,但不能消失.随着Kc的增大,相应的过渡过程由不振荡变为临界振荡或衰减振荡.

　　I:

积分作用能消除余差.Ti小表示积分作用强,积分作用越强,过渡过程的振荡越剧烈.

　　D:

在比例作用的基础上增加微分作用将使系统的过度过程的振荡程度降低,提高了系统的稳定性.但微分作用不能太强.即Td不能太大.否则会因反应速度太快引起系统剧烈振荡

●P----减小偏差

　　I----消除余差

　　D----有超前调节作用，一般用于滞后大的对象

　　通常用比例积分调节就可满足压力、流量、液位等调节，对于温度、

　　浓度、成分等调节需要加入微分作用。

●P是比例参数，它告诉你当你的输入变量变化多少时输出变量就变化100%

　　例如你选70，则表示你的输入变量变化70%时输出变量就变化100%

　　I是积分参数，只要你的输入变量和设定值之间有余差不是零他就不断调节输出变量，他是时间值，一般选3到4秒

　　D是微分参数，是反映输入变量的变化速度参数，对于温度等反应滞后的系统要用，也是时间值参数，可以根据需要自己选。

第四章课程设计的心得与体会

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是大学学习生涯的重要组成部分，尤其是对于我们学习自动化学科有着很大的帮助。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

我们在课上学习到的全部是理论知识，课程设计正好可以将我们所学到的知识应用于实际。

在直流控制系统的课上，我们学习了有关自动控制系统和PID调节的一些知识，在课堂上由于学习的比较仓促，再加上没有系统的复习，导致理论知识比较匮乏。

但在这次课程设计中，我深刻体会到了自动控制系统的控制过程，以及控制系统的每个环节。

刚开始