微机控制技术实验指导书5.docx
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微机控制技术实验指导书5
微机控制技术报告
学院：
自动化学院
班级：
自1305班
姓名：
闻福阳
学号:
U201314658
组员：
何涛
华中科技大学自动化学院
2016年6月10号
实验一输入/输出通道读写与工程数据测量标定
1、实验目的
通过实验，学习计算机直接数字控制系统的结构，具体实现方法。
掌握电脑与A/D、D/A模块之间的连接与通讯。
掌握实际工程量与A/D、D/A数字量，模拟量之间的转换关系。
学习组态软件MCGS的使用
2、实验设备及仪表
CS4000多功能过程控制实验装置。
3、实验内容
1.熟悉实验设备的结构与使用。
2.用组态软件MCGS组态设备驱动，实现电脑与A/D、D/A模块的正常通讯。
3.标定水箱液位，拟合出最佳工作特性曲线。
4.用组态软件MCGS设计简单的检测界面，在界面以0~100%的范围设定D/A端口控制量、实时显示A/D端口数字量，以及显示经过转换后的水箱液位值。
4、实验数据及具体步骤
1.统计并计算水位与A/D数值之间的关系
根据A/D,D/A测试。
在水箱高度0cm~27cm范围内，分成若干等间距点，由低到高，对应液位高度记录对应检测值；再由高到低，做同样的检测，如此反复多次。
得出液位——检测值数据用表格记录。
将数据录入到excel表格中，进行散点图绘制，并进行直线拟合，得出液位与A/D数值之间
的关系。
具体表格如下图所示：
4#水箱液位标定实验台号：
7#
液位
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
A/D数值
918.6
1123.4
1353.2
1575.0
1795.4
2030.4
2257.1
2475.8
2692.6
2913.0
液位
27
24
21
18
15
12
9
6
3
0
A/D数值
2912.4
2710.4
2477.1
2236.4
2034.0
1798.4
1589.1
1350.9
1133.8
918.6
得到的线性关系为：
H4=0.0134*AD4–12.234
式中H4代表液位，AD4代表A/D数值
2.用户界面的设计及参数
启动脚本的设置如下图所示：
界面中控制信号MV4的初始值设定为0,输出H4初值设定为0.
循环脚本的设置如下图所示：
界面控制信号的数值MV4与其相应百分比信号MV4_1的关系为：
MV4=MV4_1*0.16+4
液面高度H4与水箱液位A/D检测量AD4的关系为：
H=0.0134*AD4-12.234
由此可设计用户界面窗口如下图所示：
进行数据测试：
实验中所用变量：
5．实验小结
实验装置很高大上，整个实验也挺好玩的，充满了乐趣，实验本身来说比较简答，主要是要搞清楚变量的设置，及其各个量控制之间的关系，对于自控原理的认识又丰富了很多
实验二液位数字PID控制程序设计与调试
一、实验目的
通过实验，学习数字PID算法的程序设计。
掌握PID控制规律及参数对系统特性影响的规律。
二、实验设备及仪表
CS4000多功能过程控制实验装置。
三、实验内容
1.水箱液位PID控制器“手动”与“自动”功能的程序设计
2.研究并总结PID控制规律及参数对系统特性影响的规律。
四、实验原理
由文献，模拟过程控制的PID控制算式为
（2）对应的数字PID控制算式为
（3）若令
，
，则上式写成
（4）上述式子中，
u（t）——t时刻的控制输出（控制量），
KP——比例控制系数，
TI——积分时间常数，
TD——微分时间常数，
KI——积分控制系数，
KD——微分控制系数，
T——采样时间，
u（k）——第k时刻的控制输出（控制量）。
为了实现
可以在工程的“启动策略”中初始化相关变量。
在“循环策略”中完成PID算式。
用于PID运算的检测值PV4应该用液位高度除50，
用于PID运算的设定值SP4_1应该是输入设定值SP4除以50，
（为什么除以50？
因为设备中，液位传感器的模拟量4~20mA电流对应0~50cm检测高度）
PID控制输出UK要经过转换变成4~20输出范围的变量MV4：
要注意手动输出控制量MV4_1为0~100%，与D/A输出变量MV4的关系转换
五、实验步骤
1.连线
2.电气柜、实验台、设备对象的准备
电气柜开机操作：
将控制柜上“检测设备”、“变频器手自动切换”旋至“开”的状态，其余旋钮）旋至“关”的状态。
打开“漏电保护空气开关”，按下“启动”按钮。
“启动”绿灯点亮。
实验台上电：
“对象信号面板”、“DDC模块信号面板”开关分别旋至“开”的状态。
实验对象准备：
本次实验，使用4#水箱，水流副管路。
检查红色手动阀所在的副管路，全开进入4#水箱的全部红色手动阀，进入其它水箱的红色手动阀全关闭。
3.软件组态
在MCGS组态环境下，打开“微机控制实验二.mcg”程序。
在“设备窗口”已经组态好设备驱动，在“用户窗口”已经设计了一个用户窗口“PID控制”窗口，该窗口放置了一个些简单的液位控制流程界面控件。
通过查看控件属性了解各控件对应的数据变量。
“手动/自动”按钮——实现PID控制的手动、自动切换；该按钮的基本属性设置该按钮对应一个开关变量AUTO4，鼠标点击按钮将使AUTO4对应0或1，要求AUTO4=0时，实现手动功能；AUTO4=1时，实现自动功能。
KP输入框——比例系数
TI输入框——积分时间常数
TD输入框——微分时间常数
T输入框——采样周期
MV输入框——手动状态时，由用户设置的输出量（0~100%）
SP输入框——自动状态时，由用户设置的PID控制器的设定值。
设定范围（0~50cm）。
PV显示框——实时显示4#水箱液位。
显示（0~50cm）。
将该窗口设为启动窗口在实验一中，我们已经进行了液位检测与控制的实验。
其中使用的变量如下。
液位检测相关变量：
液位采样值（从泓格i-7017端口读入的数值）
对应的实际液位高度（0~50cm）
标定的第一个点
AD4_MIN
H4_MIN
数值型
标定的第二个点
AD4_MAX
H4_MAX
实时采样点
AD4
H4
控制输出相关变量：
用户界面手动输出控制量（0~100%）
MV4_1
数值型
对应设备1-【泓格i-7024】端口输出变量（4~20mA）
MV4
首先，在“PID控制”窗口的属性中，添加“启动脚本”、“循环脚本”，界面能控制水流量，检测显示等功能。
（实验一已经学习过）为了实验PID算法程序设计，我们定义如下一些变量用于设计PID控制运算相关变量，需要将这些变量添加到数据库中
用户界面输入的设定值（0~50cm）
SP4
数值型
用于PID运算的相应设定值（0~1）
SP4_1
比例系数
KP4
积分时间常数
TI4
微分时间常数
TD4
采样周期
T4
误差当前值、以及前2周期的误差值
EK4、EK4_1、EK4_2
归一处理后，用于PID内部运算的实时采样变量（0~1）
PV4
PID内部运算产生的控制变量（0~1）
UK4
上一周期的控制量
UK4_1
偏差累计值
SUM_EK4
手动/自动切换变量
AUTO4
开关型
实验中用到的变量如下图：
4.脚本程序设计
在工程“运行策略”页面的“启动策略”中，插入“策略行”，添加“脚本程序”构件。
在该“脚本程序”中，初始化相关变量。
在工程“运行策略”页面的“循环策略”中，插入“策略行”，添加“脚本程序”构件。
在该“脚本程序”中，编写PID程序。
启动脚本如下：
循环脚本如下：
运行结果：
可看出最后页面趋于稳定，但与设定值存在一定的误差。
PID控制是根据偏差的比例（p）积分（i）微分（d）进行控制，
根据控制规律
，其中Kp为比例增益，T1为积分时间常数，Td为微分时间常数，u（t）为控制量，e（t）为偏差。
PID控制的规律：
1，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除误差，Kp的加大，会引起系统的不稳定,。
2，积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因此只要有足够的时间，积分控制就能完全消除误差，积分作用过强会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。
3，微分作用可以减少超调量，克服震荡，使系统稳定性增高，同时加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改变系统性能。
选做题：
通过测试4#水箱的飞升曲线，得到4#水箱的数学模型大约如下：
（传递函数）
我们采用振荡法确定PID控制的参数。
Simulink图如下：
1，首先只采用先只采用比例控制，然后使KP从0增加到临界值Kr，这里临界值是指系统首次出现持续振荡时的增益值
P=1.8时出现临界振荡，参数设置如下：
此时的示波器输出为：
可以得出Pr=1.8
2，对PI参数进行了整定。
先让积分常数为零，比例系数KP由小增加到0.03时，示波器观察输出电压开始出现等幅振荡，振荡周期为6s
参数设置为：
输出波形为：
所以，Kr=1.8,Pr=26.所以有KP=0.6Kr=1.08，TI=0.5Pr=13，TD=0.125Pr=3.25
PID参数设置
运行结果
可以看出正弦输入在此PID控制模型下可以最后趋于稳定，但从图可以看出这个过程很缓慢，具体原因我自己也不太清楚。
实验总结：
本次的实验主要是仿真有点难度，其他的都比较容易理解，主要是要注意理论与实践的结合，对于PID控制我的认识又多了很多。
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