北科大自动化生产实训 报告.docx
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北科大自动化生产实训报告
北京科技大学
自动化生产线实训
实验报告
班级：
姓名：
学号：
41151049
指导教师：
崔家瑞
日期：
2014年5月9日
1系统概述
1.1实验对象
本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）
图1A1000小型多参数过程控制系统流程图
该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。
JV13和JV23提供泄漏干扰。
1.2上位机软件
上位机组态软件为组态王
1.3下位机
西门子S7-200PLC。
S7-200是最低端系列，适用于小型，对控制要求高的场合。
1.4实验任务与目的
1、熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验
2、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线
3、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。
4、熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。
5、学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。
6、熟悉并学会稳定边界法。
7、熟悉并学会PID参数的自整定法。
8、较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。
1.5分组情况
何家伟，朱宏伟，孙逢时
2单容水箱建模
2.1建模方法概述
2.1.1机理建模
根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，建立过程数学模型。
2.1.2实验方法建模
建立输入输出模型，根据输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
2.1.3对象模型的影响因素分析
1、控制通道增益的影响
随着过程增益Ko的增加，余差减小，最大偏差减小，控制作用增强，但稳定性变差。
在其它因素相同条件下，如果过程增益Ko越大，则控制作用就越大，克服扰动的能力也越强。
2、扰动通道增益的影响
在其它因素相同条件下，Kf越大，余差越大，最大偏差越大。
3、控制通道时间常数的影响
在时滞τo与时间常数To之比不变条件下进行讨论。
若τo/To固定，时间常数To大，则为使稳定性不变，ω应减小，因此，时间常数大时，为保证系统的稳定性，振荡频率减小，回复时间变长，动态响应变慢。
反之，若τo/To固定，时间常数To小，则振荡频率增大，回复时间变短，动态响应变快。
换言之，时间常数越大，过渡过程越慢。
4、扰动通道时间常数的影响
扰动通道时间常数Tf大，扰动对系统输出的影响缓慢，有利于通过控制作用克服扰动的影响。
5、扰动进入系统位置的影响
进入系统的扰动位置远离被控变量，等效于扰动传递函数中的时间常数增大，因此，与扰动通道时间常数的影响相似。
2.2阶跃响应法建模
2.2.1理论基础
经过详细的理论推导可知，单容水箱的动态数学模型是一阶惯性环节加纯延迟的系统，其传递函数为
，式中，K为对象放大系数，
为对象时间常数，
为对象纯滞后。
由于纯延迟相对系统时间比较少，可以不考虑纯延迟，从而将其传递函数简化为
。
为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数
和增益K，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。
在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。
本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。
下面对阶跃响应法进行简单介绍：
传递函数求法非常简单，只要有遥控阀和被控变量记录仪表就可以进行。
先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10%以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。
图2由阶跃响应曲线确定
、
和
的图解法
若对象的传递函数为
，则可在响应曲线拐点处做切线，如图2，各个参数的求法如下：
1、
式中：
为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值
为所给阶跃的大小
2、
3、
2.2.2实验步骤
1、JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭。
2、将LT101连到AI0输入端，AO0输出端连到U101（手动输出）。
3、工艺对象上电，控制系统上电，调速器U101上电，启动P101。
（以上两步不需要同学们做，直接跳过，进行下一步）
4、启动组态软件，设定U101控制20%，等待系统稳定。
液位和流量稳定在某个值。
注意观察液面，不能太低，否则不算稳定。
将得到的新稳定曲线截图。
5、设定U101控制25%，记录水位随时间的数据，到新的稳定点或接近稳定。
如果阶越太大，可能导致溢出。
6、截图，将得到的新稳定曲线截出。
2.2.3模型建立
由上图可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在54%的高度变成了稳定在89%的高度。
由阶跃响应法可知：
，
则，
所以，该系统的传递函数为
。
2.2.4结果分析
1）结果基本正确，多次实验可能结果不同，但是大致是一致的，还有一点就是没有考虑系统的纯滞后效果，得到最终的传递函数并不是实际系统的真实表现。
2）第二次实验结果
，
，
。
3Matlab仿真实验
3.1单容水箱实验建模及相关
3.1.1利用MATLAB根据作图法建立一阶系统数学模型
已知液位对象，在阶跃扰动Δu（t）=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：
t/s
0
15
45
75
105
145
175
205
235
265
295
h/mm
0
1
35
41
45
48
51
52
53
54
54
若将液位对象近似为一阶惯性加纯延迟，利用作图法确定其增益K，时间常数T，和纯延迟时间τ。
（1）首先根据输出稳态值和阶跃输入变化幅值可得增益K=54/20=2.7。
（2）利用一下MATLAB命令，可得如下图所示单位阶跃响应曲线。
>>t=[0,15,45,75,105,145,175,205,235,265,295]-tw;>>h=[0,1,35,41,45,48,51,52,53,54,54];
>>plot（t,h）
（3）按照S型响应曲线的参数求法，由上图大致可得系统的时间常数T和延迟时间τ分别为τ=15s,T=70-τ=55s。
则系统近似为一阶惯性加纯延迟的数学模型为
3.1.2利用MATLAB根据计算法建立一阶系统数学模型
已知液位对象，在阶跃扰动Δu（t）=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：
t/s
0
15
45
75
105
145
175
205
235
265
295
h/mm
0
1
35
41
45
48
51
52
53
54
54
若将液位对象近似为一阶惯性加纯迟延，利用作图法确定其增益K，时间常数Τ和纯迟延时间τ。
首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=54/20=2.7。
根据系统近似为一阶惯性加纯迟延的计算法，编写的MATLAB程序sy3_2_2.m如下
%sy3_2_2.m
tw=10;
t=[0,15,45,75,105,145,175,205,235,265,295]-tw;h=[0,1,35,41,45,48,51,52,53,54,54];
h=h/h（length（h））;
h1=0.39;t1=interp1（h,t,h1）+tw;h2=0.63;
t2=interp1（h,t,h2）+tw;
T=2*（t2-t1）,tao=2*t1-t2
执行程序ex3_2_2.m可得如下结果T=51.3467τ=13.9321则系统近似为一阶惯性加纯迟延的数学模型为
3.2PID参数整定
稳定边界法的计算公式如下表所示。
调节规律
Kp
Ki
Kd
P
0.5Kp
—
—
PI
0.455Kp
0．535Kp/T
—
PID
0.6Kp
1.2Kp/T
0.075Kp*T
PID控制器的simulink仿真图：
P控制器调节规律
P=1时，响应曲线：
P=2时，响应曲线：
P=3时，响应曲线：
由图可以看出，随着P的增大，响应变快，余差减小，但是震荡变的厉害了，超调量也变大了。
PI控制器调节规律
控制器传递函数：
P=3,I=0.001时，响应曲线：
发散不稳定。
P=3,I=0.01时，响应曲线：
P=3,I=0.03时，响应曲线：
P=3,I=0.06时，响应曲线：
随着I的增大，系统余差初见减小，过渡时间变长，超调量变大。
PID控制器调节规律
控制器传递函数：
P=3,I=0.03,D=1时，响应曲线：
P=3,I=0.03,D=5时，响应曲线：
P=3,I=0.03,D=10时，响应曲线：
P=3,I=0.03,D=15时，响应曲线：
微分的加入，使得响应变快，震荡变小，但是，微分的加入很容易使系统不稳定，要慎用。
利用simulink中的PID自整定
双击PID控制器，点击Tune...即可实现PID参数的自整定。
得到与手动整定的图像对比如下图：
再点击Apply,即可获取PID整定的参数:
P=1.43718340161503,I=0.0279552796902367,D=0
4单容水箱PID控制
4.1液位控制
4.1.1实验原理
单容水箱液位PID控制流程图如图20所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图单容水箱液位调速器PID单回路控制
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
U102
电动调速器
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100％
2
LT103
压力变送器
水箱液位
4～20mADC
AI
3.5kPa
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，水箱V3的液位由LT103测得，用调节手阀JV26的开启程度来模拟负载的大小。
本实验为定值自动调节系统，U102为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
现需要实现对调速器进行PID控制，确定其参数值，得到满足条件的响应曲线。
4.1.2实验步骤
1、在现场系统上，打开手阀JV22（即进水阀），调节JV26（即出水阀）开度到45%，其余阀门关闭。
2、在控制系统上，将IO面板的水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调速器U102控制端连到AO1。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
3、打开设备电源。
4、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。
启动调节器，设置各项参数。
启动右边水泵P102和调速器。
5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。
7、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现，也可以通过支路1增加干扰，或者临时改变一下出口闸板的高度）。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
10、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。
于是在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不是特别大的数。
固定比例P值，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
注意：
（1）每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。
（2）在对I参数进行设置之前，首先需要判断I参数的大小与积分作用大小的关系。
方法是设置一个非常大的和一个非常小的I参数，分别观察实验结果。
13、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。
14、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
15、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线。
16、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。
4.1.3结果分析
调节器参数整定方法才用实验方法，具体步骤是：
（1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤
（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节
若经过步骤
（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
实验结果：
纯比例调节
比例积分调节
比例积分微分调节
结论：
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
4.2流量控制（选做）
4.2.1实验原理
流量调速器控制流程图如图23所示。
采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
图23流量调速器PID单回路控制
表5.3流量调速器PID单回路控制测点清单
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FT102
电磁流量计
给水流量
4～20mADC
AI
0～3m3/h
2
U102
电动调速器
阀位反馈
2～10VDC
AO
0～100％
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由流量计FT102、调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水流量由FT102测得。
本例为定值自动调节系统，U102为操纵变量，FT102为被控变量，采用PID调节来完成。
动态点、交互控制点清单如表5.4所示。
表5.4动态点、交互控制点清单
名称
数据类型
功能描述
U102
调速器
I/O实型
显示调节器输出值MV
FT102
2#支路流量计
I/O实型
显示流量计流量（调节器PV）
SP
调节器设定值
I/O实型
调节器自动状态下可改写，同时让手动输出值跟踪这个数值
P
调节器比例系数
I/O实型
可改写
I
调节器积分系数
I/O实型
可改写
D
调节器微分系数
I/O实型
可改写
手/自动
PID调节器状态
I/O整型
点击，调节器状态切换
M/MV
PID调节器手动输出值
I/O实型
调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值
4.2.2实验步骤
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。
水箱容器只是作为水介质流通回路的一个部分。
3、在控制机柜上，把IO面板的FT102流量计信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的U102调速器控制端连接到控制器AO1端。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源，包括调速器，流量计电源。
接通水泵P102电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。
7、启动调节器，设置到手动状态，把输出值设定到比较大的状态，同时检测流量计的流量测量。
经过1分钟后，流量计测量准确后开始实验。
8、把调节器切换到自动控制。
9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
4
4.2.3结果分析
与上一实验效果类似，PID控制既能获得较好的动态性能又能获得很好的稳态性能，但何时用PI何时用PD何时用PID控制需要很好地把握。
4.3压力控制（选做）
4.3.1实验原理
压力调速器控制流程图如图25所示，采用右边支路进行实验，左边支路也是一样的。
序号
位号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
PT102
压力变送器
给水压力
4～20mADC
AI
150kPa
2
U102
电动调速器
调速器控制
2～10VDC
AO
0～100％
水介质由泵P102从水箱V4中加压获得压头，经由调速器U102进入水箱V3，通过手阀JV26回流至水箱V4而形成水循环；其中，给水压力由PT102测得。
本例为定值自动调节系统，U102为操纵变量，PT101为被控变量，采用PID调节来完成。
动态点、交互控制点清单如表所示。
名称
数据类型
功能描述
U102
调速器
I/O实型
显示调节器输出值MV
PT102
压力变送器
I/O实型
显示给水压力值（调节器PV）
SP
调节器设定值
I/O实型
调节器自动状态下可改写，同时可让手动输出值跟踪这个数值
P
调节器比例系数
I/O实型
可改写
I
调节器积分系数
I/O实型
可改写
D
调节器微分系数
I/O实型
可改写
手/自动
PID调节器状态
I/O整型
点击，调节器状态切换
M/MV
PID调节器手动输出值
I/O实型
调节器手动状态下，点击则弹出输入对话框（改变调节器输出值），自动状态跟随调节器输出值
4.3.2实验步骤
1、编写控制器算法程序，下装调试；编写实验组态工程，连接控制器，进行联合调试。
2、在现场系统上，将手阀JV22，JV26完全打开，其余阀门关闭。
水箱容器只作为水介质流通回路的一个部分。
调速器打开一半。
3、在控制机柜上，把IO面板的管道压力（PT102）信号端子通过实验连接线连到AI0端，面板上的调速器（U102）控制端连接到控制器AO1端。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须按照已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源，包括调速器电源。
5、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
6、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。
7、启动水泵P102电源。
8、启动调节器，把调节器切换到自动控制。
注意：
控制器必须是正作用的，因为要想压力增加，必须减少调速器开度，而不是增加调速器开度。
9、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
5实训总结
5.1目标，过程，结果等分析
本实验指导书共分三章。
第一章简要地介绍了A1000小型过程控制试验系统的软、硬件构成原理及使用说明。
第二章介绍了实验要求及注意事项。
第三章为实验内容，包括被控对象特性测试、单回路控制系统。
本指导书的实验内容旨在着重培养学生的数学模型建立、控制算法设计和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。
实验方案上采用两种形式：
物理对象实验和MATLAB数字仿真实验。
物理对象实验环境接近工业现场，实验操作和现场的操作有极大的相似性，不仅可以完成课程的实验，还可以加深学生对过程控制系统全面的了解和认识，培养学生实际操作能力；基于MATLAB的数字仿真实验具有简单明了的特点，可以锻炼学生通过数学工具分析解决实际问题的能力，提高学生的科学素养，为今后的学习工作奠定良好的基础。
在了解了A1000小型过程控制试验系统的软、硬件构成原理和实验要求及注意事项后，我们大体进行了以下四个实验过程：
1）单容水箱液位数学模型测定
通过多次实验，我们组得到了一系列数据，并加以分析，并最终成功得出结论，并对其进行分析，对误差产生的原因作出判断。
最终截图计算，同时进行了MATLAB仿真，对结果进行对比。
得到想要的结论，学会了分析解决问题的方法。
5.2对实训的收获，要求和建议
通过这次自动化实训的实验，我了解了一阶系统的原理和PID调节的方法。
继课本上的理论学习之后，第一次真正的在实践中接触了一阶系统的观察和实际操作，加深了我对一阶系统工作原理的理解，并且提高了自身的动手能力。
除此之外，这次实验还涉及到了与matlab有关的操作，使我了解了matlab在自控领域的一些基本功能，增加了我在自控领域的学习和实践渠道。
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