计算机控制系统实验报告共12页.docx

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计算机控制系统实验报告共12页

计算机控制系统实验报告

　　篇一：

计算机控制系统设计报告　　计算机控制系统课程设计　　班级:

　　学号：

　　指导教师:

　　摘要　　过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。

尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。

在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。

可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。

所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

　　在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。

针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于VisualBasic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。

虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。

但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。

　　目录　　第1章概述.....................................................................................................................................3　　1.1MATLAB的基本介绍.......................................................................................................3　　1.2PID控制的基本介绍.........................................................................................................3　　1.3单容水箱生产工艺.............................................................................................................5　　1.4设计目的.............................................................................................................................5　　第2章总体方案设计.....................................................................................................................6　　2.1单容水箱液位控制概述....................................................................................................6　　2.2单容水箱液面控制系统的组成........................................................................................6　　2.2.1被控变量的选择..................................................7　　2.2.2执行器的选择....................................................7　　2.2.3液位变送器的选择.................................................................................................7　　2.3单容水箱系统控制建模..................................................................................................10　　2.3.1液面的控制实现...................................................................................................10　　2.3.2被控对象...............................................................................................................10　　2.3.3水箱的建模...........................................................................................................10　　第3章PID控制简介及整定......................................................................................................12　　3.1液面控制系统中PID的算法.........................................................................................12　　3.1.1PID控制原理........................................................................................................13　　3.1.2位置型算法...........................................................................................................15　　3.1.3控制型算法...........................................................................................................15　　3.2系统PID控制特点.........................................................................................................16　　3.3系统PID参数整定方法.................................................................................................16　　第4章单容水箱液面控制仿真...................................................................................................18　　4.1被控对象的模型仿真......................................................................................................18　　4.2单容水箱液面控制仿真及结果......................................................................................18　　总结................................................................................................................................................24　　参考文献.........................................................................................................................................25　　第1章概述　　1.1.MATLAB的基本介绍　　

（1）MATALB语言体系　　MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。

利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。

（2）MATLAB工作环境　　这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。

　　（3）图形图像系统　　这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。

　　（4）MATLAB数学函数库　　这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。

　　（5）MATLAB应用程序接口　　这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序（动态链接），读写MAT文件的功能。

可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。

除此之外，MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。

　　1.2.PID控制的基本介绍　　当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的要素包括三个部分测量、比较和执行。

测量关心的变量与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

　　这个理论和应用自动控制的关键是做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统PID-比例-积分-微分控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而　　成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元，P、积分单元I和微分单元D组成。

其输入e（t）与输出u（t）的关系为公式　　公式1-1　　比例调节作用　　按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

　　积分调节作用　　使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

　　微分调节作用　　微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

　　PID控制器由于用途广泛、使用灵活,，已有系列化产品。

使用中只需设定三个参数Kp,Ki和Kd即可。

在很多情况下，并不一定需要全部三个单元可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

　　首先，PID应用范围广。

虽然很多控制过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。

也就是PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化。

例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化PID参数就可以重新整定。

第三PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子，在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态。

原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。

由于这些不足。

采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。

PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。

现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。

　　在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些问题需要解决如果自整定要以模型为基础。

为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。

闭环工作时要求在过程中插入一个测试信号。

这个方法会引起扰动所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来。

因此受到干扰的影响控制器会产生超调产生一个不必要的自适应转换。

另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析　　篇二：

计算机控制系统课程设计报告　　计算机控制系统课程设计　　报告　　姓名：

王威　　班级：

计082-1　　学号：

20xx25502129　　时间：

　　一、设计目的　　利用MCGS工控组态软件，结合实验系统，完成上位机监视系统的设计。

通过本设计，学会组态软件的基本使用方法、组态技术、为从事计算机控制方面的工作打下基础。

　　设计题目为：

液位控制监控系统　　其实设计的该系统只是一个开环系统，手动控制，并没有实现自动PID控制，其主要的功能是过程的动画显示、实时数据显示、直接控制（水阀开度）、液位报警（包括上下限值得设定，报警表格、报警灯）、历史数据表。

　　二、设计内容具体实现方法　　学习MCGS　　首先，什么是MCGS？

它是怎么工作的？

在指导书上初步学习了MCGS之后，特别是做完整个设计之后，回过头才发现，这张图概括了MCGS的整个工作流程和功能，如下：

　　MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略五部分构成。

每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作、具　　有不同的特性。

　　主控窗口：

设计的时候主要用它来添加菜单项了，就是在运行环境中菜单里有了你设计的功能窗口的名称，可以单击方便打开。

　　设备窗口：

前三天在学习阶段，在设备窗口添加模拟设备，给特定的数据以正弦输入，以模拟外部数据，以此来调试系统设计的正确性。

在系统设计阶段，通过设备窗口添加了实验所用的宇光808P仪表（就相当于在组态软件“认识的人”中挑出一个熟人跟它对话，“不认识的人”是说不上话的。

说不同的类型的话走不同的通道。

），从而实现了计算机与仪表的通信。

（这一步在实验册上叫注册设备驱动程序）。

　　用户窗口：

这个窗口主要用来设置工程中的人机交互界面，在这些窗口中进行组态设计，实现动画显示、数据显示、报警显示、曲线图等等。

　　实时数据库：

是工程各个部分数据交换和处理中心，将工程的各个部分连接成一个有机的整体，在工程中所有涉及到的数据变量必须在这里进行定义，这些变量作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动对象。

　　下面介绍所设计系统的各个部分及构建的方法：

　　用户窗口如下：

　　下图为系统的用户窗口“液位监视与控制系统”组态画面：

　　实时数据库中的变量定义如下图：

　　设备添加情况如下：

　　在设备窗口也进行了通道的连接，及仪表与计算机的通信通道与对应的实时数据库中的变量进行连接。

（不用进行读操作就可以把数据从仪表传到计算机中，但是必须用setdevice指令才能将特定的数据通过通道送到仪表中）　　运行时涉及到的策略如下：

　　分别介绍各个模块的构建过程：

　　1、过程动画的构建　　过程动画的构建是在用户窗口组态环境中添加的，在本系统中主要有数据显示、水流效果、水罐的水位上升下降效果。

　　水罐的属性设置如下：

　　水罐所关联的数据变量为“当前液位”，“当前液位”在0-20之间变化的　　篇三：

　　计算机控制系统　　实验报告　　姓名：

杨益伟　　学号：

120900321　　班级：

自动化1202　　指导教师：

任正云　　东华大学信息科学与技术学院　　20xx年6月