北科大自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報告

1、北京科技大學(xué)自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)報告班 級： 自1302 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 崔家瑞 日 期：2016年5月30日北京科技大學(xué) 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報告 目 錄目 錄i1系統(tǒng)概述31.1實(shí)驗(yàn)對象31.2上位機(jī)軟件31.3下位機(jī)31.4實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的31.5分組情況42單容水箱建模52.1建模方法概述52.1.1 機(jī)理建模52.1.2 實(shí)驗(yàn)方法建模52.1.3 對象模型的影響因素分析52.2階躍響應(yīng)法建模62.2.1 理論基礎(chǔ)62.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟72.2.3模型建立72.2.4 結(jié)果分析93.1利用Matlab建立系統(tǒng)模型123.1.1 作圖法123.1.2 計(jì)算法133.1.3 Si

2、mulink仿真163.1.4 誤差分析173.2利用Matlab對控制器參數(shù)進(jìn)行整定193.2.1 穩(wěn)定邊界法193.2.2 Signal Constraint模塊參數(shù)自整定223.2.3 比較分析254單容水箱PID控制274.1實(shí)驗(yàn)原理274.2實(shí)驗(yàn)步驟274.3結(jié)果分析285創(chuàng)新項(xiàng)目335.1創(chuàng)新項(xiàng)目介紹335.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的335.1.2實(shí)驗(yàn)步驟335.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果345.1.4結(jié)論375.2創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)報告376實(shí)訓(xùn)總結(jié)386.1目標(biāo)，過程，結(jié)果等分析386.2對實(shí)訓(xùn)的收獲，要求和建議38i北京科技大學(xué) 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報告 自1302 劉琦 413510421系統(tǒng)概述1.

3、1實(shí)驗(yàn)對象本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和對象是一體的，連通手閥采用金屬球閥（長80mm）圖1.1 A1000小型多參數(shù)過程控制系統(tǒng)流程圖該系統(tǒng)提供了兩路動力支流，既可以滿足兩個同學(xué)同時進(jìn)行壓力、流量和液位實(shí)驗(yàn)，還可以一路用于提供水流，一路用于提供干擾。JV13和JV23提供泄漏干擾。1.2上位機(jī)軟件上位機(jī)組態(tài)軟件為組態(tài)王。1.3下位機(jī)西門子S7-200PLC。S7-200是最低端系列，適用于小型，對控制要求高的場合。1.4實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的1、熟悉本套系統(tǒng)，明確應(yīng)該如何進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)2、熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線3、根據(jù)由實(shí)際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定其參數(shù)。4、熟悉利用MA

4、TLAB建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。5、學(xué)會利用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)建模的方法。6、熟悉并學(xué)會穩(wěn)定邊界法。7、熟悉并學(xué)會PID參數(shù)的自整定法。8、較為深刻理解液位PID單回路控制的原理，并掌握PID相關(guān)參數(shù)的設(shè)定方法。1.5分組情況組長：組員：2單容水箱建模2.1建模方法概述2.1.1 機(jī)理建模機(jī)理分析是根據(jù)對現(xiàn)實(shí)對象特性的認(rèn)識，分析其因果關(guān)系，找出反映內(nèi)部機(jī)理的規(guī)律。立足于揭示事物內(nèi)在規(guī)律。通過內(nèi)在機(jī)理分析，按照質(zhì)量、能量、動量守恒定律，通過理論推導(dǎo)建立過程數(shù)學(xué)模型的方法，稱為機(jī)理分析建模法。機(jī)理分析建模的基本依據(jù)：質(zhì)量守恒(物質(zhì)不滅定律)、能量守恒(熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)能量的增

5、加等于加入系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對外所做的功)、動量守恒(牛頓第二定律，系統(tǒng)的動量變化率與作用在該系統(tǒng)上的力相等)。使用基本定律的方法：根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，規(guī)定一個劃定體積，以這一個劃定體積為對象，依據(jù)守恒定律，列些衡算方程。質(zhì)量守恒：物料衡算；能量守恒：熱量衡算；動量守恒：動量衡算。機(jī)理建模具有非常明確的物理意義，所得的模型具有很大的適應(yīng)性，便于對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。但對于某些對象，人們還難以寫出它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或者表達(dá)式中的某些系數(shù)還難以確定時，不能使用。2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法建模機(jī)理法建模需要一定條件，但多數(shù)工業(yè)過程機(jī)理復(fù)雜或者環(huán)節(jié)較多，難以理論分析建立模型。并且某些對象在運(yùn)行過程中其動態(tài)特性

6、隨著工況的改變而改變。實(shí)驗(yàn)方法建模不需要了解對象的工作機(jī)理，依據(jù)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過過程辨識和參數(shù)估計(jì)的方法建立模型。對象特性的實(shí)驗(yàn)測取法，就是在所要研究的對象上，加上一個人為地輸入作用(輸入量)，然后，用儀表測取并記錄表征對象特性的物理量(輸出量)隨時間變化的規(guī)律，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(或曲線)。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表示對象的特性。常用的實(shí)驗(yàn)性能測試方法有階躍響應(yīng)曲線法。2.1.3 對象模型的影響因素分析該實(shí)驗(yàn)對象模型的影響主要來自于傳感器的精度、液面的震蕩、建模處理方法等方面。2.2階躍響應(yīng)法建模2.2.1 理論基礎(chǔ)經(jīng)過詳細(xì)的理論推導(dǎo)可知，單容水箱的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的

7、系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為，式中，K為對象放大系數(shù)，為對象時間常數(shù)，為對象純滯后。由于純延遲相對系統(tǒng)時間比較少，可以不考慮純延遲，從而將其傳遞函數(shù)簡化為。為確定本次實(shí)驗(yàn)的單容水箱的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，就需要確定該模型中的系統(tǒng)時間參數(shù)和增益K，這就涉及到過程辨識和參數(shù)估計(jì)的問題。在由俞金壽、孫自強(qiáng)主編的過程控制系統(tǒng)一書中詳細(xì)介紹了兩種過程辨識與參數(shù)估計(jì)的方法，即階躍響應(yīng)法和脈沖響應(yīng)法。本實(shí)驗(yàn)采用階躍響應(yīng)法來確定模型中的相關(guān)參數(shù)。下面對階躍響應(yīng)法進(jìn)行簡單介紹：傳遞函數(shù)求法非常簡單，只要有遙控閥和被控變量記錄儀表就可以進(jìn)行。先使工況保持平穩(wěn)一段時間，然后使閥門作階躍式的變化（通常在10%以內(nèi)），同時把被控變量的變

8、化過程記錄下來，得到廣義對象的階躍響應(yīng)曲線。圖2.1 由階躍響應(yīng)曲線確定、和的圖解法若對象的傳遞函數(shù)為，則可在響應(yīng)曲線拐點(diǎn)處做切線，如圖2，各個參數(shù)的求法如下：1、式中：為給階躍前后，系統(tǒng)最終穩(wěn)定到的值的差值，為所給階躍的大小。2、3、2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟1、JV12全開，JV16打開45度左右（由于開度不同，特性也有差異），其余閥門關(guān)閉。2、將LT101連到AI0輸入端，AO0輸出端連到U101(手動輸出)。3、工藝對象上電，控制系統(tǒng)上電，調(diào)速器U101上電，啟動P101。（以上兩步不需要同學(xué)們做，直接跳過，進(jìn)行下一步）4、啟動組態(tài)軟件，設(shè)定U101控制20%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。液位和流量穩(wěn)定在

9、某個值。注意觀察液面，不能太低，否則不算穩(wěn)定。將得到的新穩(wěn)定曲線截圖。5、設(shè)定U101控制25%，記錄水位隨時間的數(shù)據(jù)，到新的穩(wěn)定點(diǎn)或接近穩(wěn)定。如果階越太大，可能導(dǎo)致溢出。6、截圖，將得到的新穩(wěn)定曲線截出。7、若想多次嘗試，可以修改JV16開度，重復(fù)4-6步。8、關(guān)閉系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)。2.2.3模型建立當(dāng)JV16的開度為50度左右時，將控制量設(shè)置為20%后，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，其結(jié)果圖如下：圖2.2 出水閥開到50度，控制量為20%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線將控制量由原來的20%增大到25%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖2.3 出水閥開到50度，控制量為25%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線由上訴兩圖可知，當(dāng)控制量由20%

10、增大到25%時，系統(tǒng)液位由原來穩(wěn)定在11%的高度變成了穩(wěn)定在24.5%的高度。 由階躍響應(yīng)法可知： ， 則，所以，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為2.2.4 結(jié)果分析1）分析結(jié)果的正確性，合理性該實(shí)驗(yàn)通過階躍響應(yīng)法對系統(tǒng)進(jìn)行建模，經(jīng)過驗(yàn)算，在誤差允許范圍內(nèi)，結(jié)果正確。關(guān)于結(jié)果的合理性，由于沒有考慮系統(tǒng)的純滯后效應(yīng)，得到的傳遞函數(shù)并不是實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)表現(xiàn)，但由于純延遲相對系統(tǒng)時間比較少，可以不考慮純延遲，因此所得結(jié)果能近似表示系統(tǒng)模型。2） 若干次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)JV16的開度為45度左右時，將控制量設(shè)置為20%后，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，其結(jié)果圖如下：圖2.4 出水閥開到45度，控制量為20%

11、時系統(tǒng)響應(yīng)曲線將控制量由原來的20%增大到25%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖2.5 出水閥開到45度，控制量為25%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線由該圖可知，當(dāng)控制量由20%增大到25%時，系統(tǒng)液位由原來穩(wěn)定在17.5%的高度變成了穩(wěn)定在35%的高度。 由階躍響應(yīng)法可知： ， 則，所以，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為對比分析：通過第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)閥開度增大會減小系統(tǒng)時間常數(shù)和開環(huán)放大倍數(shù)，并通過多次實(shí)驗(yàn)分析，證明了該結(jié)論的正確性。3 Matlab仿真實(shí)驗(yàn)3.1利用Matlab建立系統(tǒng)模型3.1.1 作圖法單容水箱的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的系統(tǒng)，對第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的階躍響應(yīng)數(shù)

12、據(jù)進(jìn)行處理。作圖法原理見2.2.1所述。Matlab程序：A=11.13 11.13 11.49 12.64 13.15 13.68 14.57 15.03 15.45 16.25 16.58 16.95 17.60 17.90 18.20 18.74 18.98 19.24 19.69 19.90 20.10 20.45 20.63 21.00 21.16 21.34 21.63 21.77 21.89 22.12 22.27 22.35 22.58 22.66 22.76 22.90 23.00 23.11 23.27 23.34 23.38 23.51 23.55 23.62 23.69

13、 23.73 23.79 23.85 23.91 23.93 23.99 24.04 24.04 24.12 24.15 24.13 24.23 24.28 24.29 24.31 24.36 24.37 24.40 24.40 24.47 24.46 24.45 24.48 24.51 24.50; %液位數(shù)值B=0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 123 126 129 132

14、 135 138 141 144 147 150 153 156 159 162 165 168 171 174 177 180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 ; %時間數(shù)值duoshao=length(A);for n=3:1:(duoshao-2) if (A(n-2)+A(n)-2*A(n-1)*(A(n)+A(n+2)-2*A(n+1)<0) a=n; break; endend y_63_2=(max(A)-min(A)*632/1000+min(A);qian=min(find(A>y_63_2);hou=qian-1;T_63

15、_2=(B(qian)-B(hou)*(y_63_2-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou);C=1:0.1:T_63_2 ; k=(max(A)-A(a)/(T_63_2-B(a); b=(A(a)-k*B(a);y=min(A):0.1:max(A); C=(y-b)./k; y_max=max(A)+0.*B;y_shuzhi=min(A):0.1:max(A);x_shuzhi=T_63_2+0.*y_shuzhi;plot(C,y,'m',B,A,'b',B,y_max,'r:',x_shuzhi,y_shuzhi,

16、'r:'); t=(A(1)-b)/kT=T_63_2-tdertau=5;K=(max(A)-min(A)/dertau作圖法結(jié)果：圖3.1 作圖法結(jié)果可得單容水箱液位對象的增益K=2.68，時間常數(shù)T=48.6s，純延遲時間=4.69s。所以，由作圖法得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。3.1.2 計(jì)算法計(jì)算法原理：將歸一化：階躍響應(yīng)為取 ,得：化簡得：若取y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63,由圖求出相應(yīng)的t1 和 t2，得：校驗(yàn)：取y*(t3)=0.55,y*(t4)=0.87,由圖求出相應(yīng)的t3和 t4，得：校驗(yàn)結(jié)果：如果校驗(yàn)結(jié)果相差較大，需要用更高階模型結(jié)構(gòu)。Matla

17、b程序：A=11.13 11.13 11.49 12.64 13.15 13.68 14.57 15.03 15.45 16.25 16.58 16.95 17.60 17.90 18.20 18.74 18.98 19.24 19.69 19.90 20.10 20.45 20.63 21.00 21.16 21.34 21.63 21.77 21.89 22.12 22.27 22.35 22.58 22.66 22.76 22.90 23.00 23.11 23.27 23.34 23.38 23.51 23.55 23.62 23.69 23.73 23.79 23.85 23.91

18、23.93 23.99 24.04 24.04 24.12 24.15 24.13 24.23 24.28 24.29 24.31 24.36 24.37 24.40 24.40 24.47 24.46 24.45 24.48 24.51 24.50; %液位數(shù)值B=0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 123 126 129 132 135 138 141 144 147 150

19、153 156 159 162 165 168 171 174 177 180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 ; %時間數(shù)值paixu,weizhi=sort(A);zuida=mean(paixu(size(A,2)-2):size(A,2); zuixiao=mean(paixu(1:2); t_39_1=(zuida-zuixiao)*39/100+zuixiao;t_63_1=(zuida-zuixiao)*63/100+zuixiao; qian=min(find(A>t_39_1); hou=qian-1;t_39=(B(qian)-

20、B(hou)*(t_39_1-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou); qian=min(find(A>t_63_1);hou=qian-1;t_63=(B(qian)-B(hou)*(t_63_1-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou); T=2*(t_63-t_39)t=2*t_39-t_63x1_1=0:0.1:t_39; y1=t_39_1+0.*x1_1;x2_2=0:0.1:t_63;y2=t_63_1+0.*x2_2;y_1=min(A):0.1:t_39_1;x1=t_39+0.*y_1;y_2=min(A):0.1:t_63_1;

21、x2=t_63+0.*y_2;dertau=5;K=(max(A)-min(A)/dertauplot(B,A,'r',x1_1,y1,'m:',x1,y_1,'m:',x2_2,y2,'b:',x2,y_2,'b:');計(jì)算法結(jié)果：39%63% 圖3.2 計(jì)算法結(jié)果可得單容水箱液位對象的增益K=2.68，時間常數(shù)T=50.5s，純延遲時間=2.62s。所以，由計(jì)算法得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。3.1.3 Simulink仿真分別以作圖法結(jié)果和計(jì)算法結(jié)果作為近似系統(tǒng)，進(jìn)行Simulink仿真，仿真框圖以及參數(shù)設(shè)置如下：圖

22、3.3 仿真框圖圖3.4 作圖法響應(yīng)曲線圖3.5 計(jì)算法響應(yīng)曲線3.1.4 誤差分析原系統(tǒng)與近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：圖3.6 原系統(tǒng)與作圖法近似系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖3.7 原系統(tǒng)與計(jì)算法近似系統(tǒng)的響應(yīng)曲線通過比較原系統(tǒng)與兩個近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)誤差較小，且作圖法得出的數(shù)學(xué)模型誤差比計(jì)算法更小，更接近原系統(tǒng)。誤差產(chǎn)生原因：1、得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計(jì)時，會有一些主觀因素的影響。比如作圖法，由于拐點(diǎn)和切線選取主觀隨意性較大，造成參數(shù)確定準(zhǔn)確性差。計(jì)算法建模時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散點(diǎn)選取的不同導(dǎo)致建立的對象模型不同。2、原系統(tǒng)對象只是近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后，而近似系統(tǒng)則按照

23、一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后進(jìn)行建模，因此必定存在誤差。3、由于傳感器的精度、液面的震蕩等擾動存在，原系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)有所抖動，使得系統(tǒng)建模精確度受到干擾。與S作圖法相比，計(jì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：S作圖法作圖結(jié)果受上升階段部分?jǐn)?shù)據(jù)影響較大，當(dāng)此階段干擾較大時，建模結(jié)果很不準(zhǔn)確；并且拐點(diǎn)的選取受主觀因素影響很大。相比于此，計(jì)算法建模選取數(shù)據(jù)點(diǎn)不是特別集中，多取幾組數(shù)據(jù)可減少誤差。缺點(diǎn)：相比于S作圖法，需要計(jì)算，較為復(fù)雜。建模結(jié)果易受個別離散點(diǎn)的影響。3.2利用Matlab對控制器參數(shù)進(jìn)行整定注：由于作圖法得出的數(shù)學(xué)模型誤差更小，因此以作圖法得出的傳遞函數(shù)為模型，來對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。3.2.1 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)

24、定邊界法的計(jì)算公式如下表所示：表3.1 穩(wěn)定邊界法計(jì)算調(diào)節(jié)規(guī)律KpKiKdP0.5KmPI0.455Km0.535Km/TmPID0.6Km1.2Km/Tm0.075Km*Tm其中Km表示使系統(tǒng)輸出出現(xiàn)臨界振蕩Kp值，Tm則表示臨界振蕩的周期。仿真框圖如下：圖3.8 穩(wěn)定邊界法仿真框圖Ki=Kd=0，從小到大改變比例項(xiàng)Kp，直到系統(tǒng)輸出出現(xiàn)臨界振蕩如下：圖3.9 臨界振蕩此時臨界振蕩周期Tm=18s，比例系數(shù)Km=7.6。利用穩(wěn)定邊界法計(jì)算采用P、PI、PID調(diào)節(jié)規(guī)律時的控制器參數(shù)，得表3.2 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律KpKiKdP3.80PI3.460.226PID4.560.50710.26整定

25、后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如下：圖3.10 采用P調(diào)節(jié)規(guī)律圖3.11 采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律圖3.12 采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律3.2.2 Signal Constraint模塊參數(shù)自整定注：本人所使用的Matlab版本為Matlab2014a，由于Matlab版本問題，Simulink中已無Signal Contraint模塊，轉(zhuǎn)而分成了三個模塊。我們選擇其中Check Step Response Characteristics模塊代替Signal Contraint模塊，對系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律時的控制器進(jìn)行參數(shù)自整定，整定原理框圖如下：圖3.13 單容水箱Simulink參數(shù)自整定框圖添加變量，輸入K

26、p=1，Ki=1，Kd=1；設(shè)置范圍，三個參數(shù)最小值都是0，Ki，Kd最大值為9999。圖3.14 變量設(shè)置設(shè)置尋優(yōu)參數(shù)：搜索方式為遺傳算法，最大迭代1000次，勾選尋找最優(yōu)解決。圖3.15 尋優(yōu)參數(shù)設(shè)置設(shè)置目標(biāo)：設(shè)置期望的階躍響應(yīng)。圖3.16 設(shè)置目標(biāo)運(yùn)行尋優(yōu)，結(jié)果為：圖3.17 尋優(yōu)結(jié)果整定后Kd=8.65、Ki=0.02、Kp3.55。繪制整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，如圖：圖3.18 整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)用Simulink對系統(tǒng)PID控制器參數(shù)自整定時系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量約為0，過渡時間約為25s。3.2.3 比較分析穩(wěn)定邊界法：(1) 優(yōu)點(diǎn)：整定

27、方法簡單，易于操作，不需要獲得精確的對象模型。(2) 缺點(diǎn)：此方法在整定過程中必定出現(xiàn)等幅振蕩，從而限制了此法的使用場合。對于某些時間常數(shù)較大的單容量對象，如液位對象或壓力對象，在純比例作用下是不會出現(xiàn)等幅振蕩的，因此不能獲得臨界振蕩的數(shù)據(jù)，從而也無法使用該方法。(若單容水箱系統(tǒng)用一階慣性環(huán)節(jié)近似，則加入純比例控制器后不可能出現(xiàn)等幅振蕩，不能用此方法整定PID參數(shù)。)使用該方法時，控制系統(tǒng)必需工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參數(shù)利用Simulink對系統(tǒng)PID控制器參數(shù)自整定：(1) 優(yōu)點(diǎn)：借助于Simulink軟件，整定方法簡單，易于操作。(2)

28、 缺點(diǎn)：此方法需要得到較為精確的對象模型，當(dāng)對象模型比較復(fù)雜難以確定時，不能用此方法。由于軟件算法和性能需求，得到的整定結(jié)果可能不是主觀上最理想的。影響穩(wěn)定邊界方法精度的因素：主觀找到臨界震蕩而獲取臨界振蕩周期和臨界；系統(tǒng)本身的特性，有些系統(tǒng)無法出現(xiàn)臨界震蕩的情況。4單容水箱PID控制4.1實(shí)驗(yàn)原理單容水箱為自衡系統(tǒng)，進(jìn)水流量一定，隨著液位升高出水流量加大，當(dāng)進(jìn)水流量與出水流量相等時液位穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)控制進(jìn)水流速，可以改善系統(tǒng)響應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)。采用PID控制算法的單容水箱控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示：PID控制器單容水箱控制對象液位傳感器給定液位+給定液位圖4.1單容水箱液位控制系

29、統(tǒng)圖4.2實(shí)驗(yàn)步驟1、在現(xiàn)場系統(tǒng)上，打開手閥JV22（即進(jìn)水閥），調(diào)節(jié)JV26（即出水閥）開度到45%，其余閥門關(guān)閉。2、在控制系統(tǒng)上，將IO面板的水箱液位輸出連接到AI0，IO面板的電動調(diào)速器U102控制端連到AO1。注意：具體哪個通道連接指定的傳感器和執(zhí)行器依賴于控制器編程。對于全連好線的系統(tǒng)，例如DCS，則必須按照已經(jīng)接線的通道來編程。3、打開設(shè)備電源。4、啟動計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。啟動調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。啟動右邊水泵P102和調(diào)速器。5、系統(tǒng)穩(wěn)定后可將調(diào)節(jié)器的手動控制切換到自動控制。6、設(shè)置比例參數(shù)。觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實(shí)

30、驗(yàn)。7、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實(shí)現(xiàn)，也可以通過支路1增加干擾，或者臨時改變一下出口閘板的高度)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。8、減小P重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9、增大P重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。10、選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。于是在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量p。13、固定I于某一中間值，

31、然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量p。14、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。15、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面調(diào)節(jié)時幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線。16、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。4.3結(jié)果分析水箱液位控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如以下各圖所示：圖4.2 P=5,I=10000,D=0時的階躍響應(yīng)及階躍擾動曲線圖4.3 P=30,I=10000,D=0時的階躍響應(yīng)及階躍擾

32、動曲線圖4.4 P=50,I=10000,D=0時的階躍響應(yīng)及階躍擾動曲線,圖4.5 P=30,I=100(I=10),D=0時的階躍響應(yīng)曲線圖4.6 P=30,I=0.5,D=0時的階躍響應(yīng)曲線圖4.7 P=30,I=2,D=0時的階躍響應(yīng)及階躍擾動曲線圖4.8 P=30,I=0.5,D=0.01時的階躍響應(yīng)曲線圖4.9 P=30,I=0.5,D=1時的階躍響應(yīng)曲線圖4.10 P=30,I=0.5,D=5時的階躍響應(yīng)曲線1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作用下的靜、動態(tài)性能。對比圖4.2，圖4.3，圖4.4和圖4.6可知，系統(tǒng)在階躍擾動作用下，當(dāng)比例系數(shù)較大時，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也較大，

33、這是因?yàn)楸壤禂?shù)會加大幅值；當(dāng)積分系數(shù)較大時，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差會減小，但是系統(tǒng)的振蕩加劇，會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變長；在加入微分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的動態(tài)誤差明顯減小，但是調(diào)節(jié)時間卻延長，這是因?yàn)槲⒎志哂谐白饔?，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。2） 比較不同PID參數(shù)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。比例系數(shù)P：起放大誤差的幅值，快速抵消干擾的影響，是系統(tǒng)的上升時間降低，如果只有比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間常數(shù)Ti：積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分項(xiàng)對誤差的調(diào)節(jié)取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大，這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會隨時間的增加而增大，它推動控制器的輸出增大是穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于0，但由于

34、積分項(xiàng)的存在會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間增大，系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩加劇。微分時間常數(shù)Td：微分項(xiàng)可以預(yù)測誤差的變化趨勢，這樣就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以雖有較大慣性或滯后的被控對象，微分項(xiàng)能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。3） 整理P、PI、PID三種控制器下本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并比較、分析從P、PI、PID控制器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響。P控制器：如圖4.2，4.3和4.4所示，P控制器可以放大誤差的幅值，快速抵消干擾，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的上升時間和調(diào)節(jié)時間，但是系統(tǒng)可能會存在穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)。PI控制器：如圖4.5，4.6和4.7所示，

35、PI調(diào)節(jié)器可以是系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差，但是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間會增大，響應(yīng)過程的振蕩會加劇。PID控制器：如圖4.8,4.9和4.10所示，PID調(diào)節(jié)器除了有PI調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)之外，加入了微分項(xiàng)改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，減弱了響應(yīng)過程的振蕩，有效的抑制了過大的超調(diào)量。5創(chuàng)新項(xiàng)目5.1創(chuàng)新項(xiàng)目介紹5.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是在紙張的張力控制設(shè)備設(shè)備平臺上實(shí)現(xiàn)：一臺電機(jī)以固定速率轉(zhuǎn)動，另一臺電機(jī)跟隨，并保持紙張收卷過程中張力恒定。設(shè)計(jì)必須滿足生產(chǎn)設(shè)備和工藝的要求，設(shè)計(jì)之前必須了解設(shè)備的用途、結(jié)構(gòu)、參數(shù)和操作要求，培養(yǎng)整體設(shè)計(jì)的觀念。實(shí)驗(yàn)的目的是通過對常見的生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解一般控制系

36、統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、要求和設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)踐能夠鞏固所學(xué)知識，達(dá)到靈活運(yùn)用的目的。5.1.2實(shí)驗(yàn)步驟1、在計(jì)算機(jī)上配置和電機(jī)的通信屬性包括波特率，端口號等。2、打開設(shè)備電源，將編寫好的程序下載到設(shè)備上。3、啟動計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。在界面的左下方選中取消聯(lián)控控制，即進(jìn)入自動調(diào)節(jié)模式。4、先設(shè)置比例參數(shù)，修改比例參數(shù)后，點(diǎn)擊張力自動控制，再點(diǎn)擊正向啟動或反向啟動，觀察設(shè)備上紙張的運(yùn)動情況以及實(shí)時曲線。5、待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實(shí)驗(yàn)。6、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，通過手動改變其中一個電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小)，記錄曲線波動并穩(wěn)定后的結(jié)果。7、選擇合適

37、的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。于是在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線。8、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。9、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后觀察系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線。10、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。5.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中所得結(jié)果如以下各圖所示（張力設(shè)定值均為100，初始狀態(tài)各不相同）：圖5.1 p=0.14時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.2

38、 p=0.17時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.3 p=0.14時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.4 p=0.14時系統(tǒng)的階躍擾動曲線(正向擾動:3HZ+ 負(fù)向擾動:3HZ 調(diào)節(jié)時間:8min)圖5.5 電機(jī)堵轉(zhuǎn)后調(diào)節(jié)參數(shù)后的再度恢復(fù)曲線(堵轉(zhuǎn)后的調(diào)節(jié)參數(shù) P=0.04 I=500 D=0)1）對比圖5.1和圖5.3可知，在相同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)下，設(shè)備在不同的初始狀態(tài)（其中圖5.1是在設(shè)備兩邊的紙卷半徑差不多時測得的，圖2.3是在1號電機(jī)的紙卷半徑小于2號電機(jī)的紙卷，1號電機(jī)的紙卷半徑近似等于轉(zhuǎn)軸的半徑時測得的），系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的狀態(tài)是不同的。2）圖5.2為只有比例調(diào)節(jié)且P=0.17時，系統(tǒng)的階躍曲線近似為等

39、幅振蕩。3）圖5.4是系統(tǒng)在穩(wěn)定后加入階躍擾動后，首先加了正向擾動3HZ ，后加了又負(fù)向擾動3HZ，系統(tǒng)在擾動之后又回到了穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)時間為8分鐘。4）圖5.5是當(dāng)加入正向擾動5HZ時，系統(tǒng)不能回到穩(wěn)態(tài)，最終系統(tǒng)發(fā)散導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)了。這時重新設(shè)置調(diào)節(jié)的參數(shù)值(P=0.04，I=500，D=0)，稍微松動紙卷，經(jīng)過一段時間系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。5.1.4結(jié)論1）系統(tǒng)在相同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，在不同的設(shè)備初始狀態(tài)下，其階躍響應(yīng)曲線曲線不完全相同。當(dāng)兩個紙卷半徑相差不多時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)兩個紙卷半徑相差較大時，響應(yīng)過程的振蕩加劇，最終系統(tǒng)會不穩(wěn)定地發(fā)散。2）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)對在一定范圍內(nèi)的階躍擾動有調(diào)節(jié)作用，超出一定范圍后，系統(tǒng)會變的不穩(wěn)定，最終的響應(yīng)會發(fā)散。3）當(dāng)系統(tǒng)的張力值達(dá)到報警值后，電機(jī)就會停止轉(zhuǎn)動，此時可參考張力差和兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速將PID參數(shù)調(diào)節(jié)至合適的大小，稍微松動紙卷，系統(tǒng)就可以響應(yīng)至穩(wěn)態(tài)。4）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更適合PID變參數(shù)