基于水箱液位控制系統(tǒng)的wincc與matlab的opc通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容分析1.1畢業(yè)設(shè)計(jì)主要任務(wù)a.四容水箱與限制系統(tǒng)的接線b.系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)c.PLC編程下載，d.WinCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)e.Matlab系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2四容水箱系統(tǒng)概述四容水箱系統(tǒng)是一個(gè)完整的限制系統(tǒng)模型，通過(guò)管道的耦合實(shí)現(xiàn)了模擬多輸入多輸出的過(guò)程限制系統(tǒng)。在學(xué)習(xí)和應(yīng)用這套系統(tǒng)的過(guò)程中，使我對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的過(guò)程限制有了更為深化的相識(shí)。整個(gè)水箱限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與說(shuō)明2.1PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路說(shuō)明本系統(tǒng)當(dāng)中，PLC的作用是讀取傳感器產(chǎn)生實(shí)際液位的模擬信號(hào)，并通過(guò)自己相應(yīng)的AI模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并由wincc采集以備運(yùn)用。而由MATLAB運(yùn)算得到的限制量（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）也由PLC傳給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。所以本系統(tǒng)中，PLC的作用在于數(shù)據(jù)的收發(fā)。系統(tǒng)的硬件接線a.硬件清單SITOP電源：西門子專用電源24V穩(wěn)壓電源：為水位傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)供應(yīng)電壓S7-300系列PLC:CPU315-2PN/DPAISM3318*12BIT：模擬量輸入，轉(zhuǎn)換成0—27648的數(shù)字量送入CPU訂貨號(hào)：6ES7331-7KF02-0AB0AOSM3328*12BIT：模擬量輸出訂貨號(hào)：6ES7332-5HF00-0AB0MH-C超聲波物位變送器：液位傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：接收SM332輸出信號(hào)，以此為限制電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)b.接線說(shuō)明依據(jù)PLC所選的AI、AO模塊的不同，測(cè)量量和限制量的不同，測(cè)量精度的不同，所選擇的接線方式也不相同。具體到本系統(tǒng)，因?yàn)閭鞲衅鳎ㄎ镂蛔兯推鳎┦菍⑺晦D(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，所以AI模塊采納4線制電流接法。而電機(jī)是通過(guò)1-5V的電壓信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以AO模塊采納2線制的電壓接法。傳感器與驅(qū)動(dòng)器通過(guò)說(shuō)明書(shū)完成對(duì)應(yīng)的接線。SM331的電流測(cè)量接法原理圖說(shuō)明：依據(jù)管腳的標(biāo)號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的接線，采納4線制接法，即下半部分的原理圖，L+和M端為傳感器信號(hào)的接線端，SM332用于兩線制電壓接法原理圖說(shuō)明：依據(jù)管腳的標(biāo)號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的接線，采納2線制接法，即采納CH4的接法，系統(tǒng)中運(yùn)用的是CH2與CH3。圖中的電阻相當(dāng)于輸出的負(fù)載，系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)輸入端即為負(fù)載。2.1.STEP7對(duì)S7-300系列PLC的各種應(yīng)用都是基于組態(tài)硬件的基礎(chǔ)上的a.打開(kāi)simaticmanager軟件，單擊“新建”，輸入相應(yīng)的工程名稱與路徑，單擊“確定”。b.在新建的工程項(xiàng)目上右鍵，插入一個(gè)S7-300站，在新插入的工程站中單擊hardware，進(jìn)入硬件組態(tài)畫面c.在硬件組態(tài)畫面中，依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際硬件狀況，插入相應(yīng)的CPU,AI,AO模塊(依據(jù)模塊的訂貨號(hào)查找，模塊具體信息在有所說(shuō)明)。并設(shè)置CPU的相應(yīng)通訊IP地址（系統(tǒng)采納工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP通訊方式），組態(tài)完成后的畫面如下圖至此，已經(jīng)完成了PLC系統(tǒng)的硬件與通訊組態(tài)。西門子公司對(duì)每一個(gè)模塊的每一個(gè)點(diǎn)都設(shè)定有唯一的肯定地址，編程時(shí)可依據(jù)這個(gè)地址干脆進(jìn)行編程和訪問(wèn)。AI模塊的設(shè)置；實(shí)際中運(yùn)用的是通道0、1通道，所以勾選第一組，并選擇4線制（4DMU），并將區(qū)間設(shè)定為4—20mA。AO模塊的設(shè)置：實(shí)際中運(yùn)用的是2、3通道，所以勾選后兩組，并規(guī)定OutputRange為1—5V的輸出區(qū)間。2.1.4依據(jù)本系統(tǒng)的要求，PLC中編寫的程序應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，因?yàn)閿?shù)據(jù)的模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換已經(jīng)由AI/AO模塊實(shí)現(xiàn)，所以程序所須要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是將代表水位的模擬量還原成真實(shí)的水位值，并且將電機(jī)的限制量限定在合適的范圍內(nèi)，使得限制的靈敏度達(dá)到最好，同時(shí)避開(kāi)電壓過(guò)高損壞電機(jī)。由上面所述的編程思路，在STEP7的編程軟件中，運(yùn)用FC105和FC106功能模塊，這兩個(gè)模塊功能正好對(duì)應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)輸入量或者輸出量進(jìn)行線性映射，使其對(duì)應(yīng)到實(shí)際的區(qū)間當(dāng)中。例如，由AI模塊SM331轉(zhuǎn)換后的代表水位的數(shù)字量在0——27648的范圍內(nèi)，通過(guò)FC105將其與0——26的區(qū)間進(jìn)行線性映射，從而反映出實(shí)際的水位值，F(xiàn)C106同理。程序塊說(shuō)明IN端口輸入為SM331模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，PIW256為SM331模塊一通道的肯定地址。LO_LIM與HI_LIM為線性映射區(qū)間的范圍，將映射后的數(shù)值存儲(chǔ)在DB1.DBD0當(dāng)中。與FC105相對(duì)應(yīng)，將電機(jī)限制量的值線性對(duì)應(yīng)到輸出量0——27648的范圍上。這里L(fēng)O_LIM與HI_LIM構(gòu)成的范圍選取詳見(jiàn)節(jié)。兩個(gè)程序塊中的BIPOLAR和RET_VAL引腳沒(méi)有運(yùn)用，由于編程時(shí)須要定義它們的地址，所以隨意加入了兩個(gè)存儲(chǔ)地址。2.2WinCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)WinCC軟件簡(jiǎn)介SIMATICWinCC是第一個(gè)運(yùn)用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開(kāi)放性和敏捷性。WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程等。WinCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路WinCC作為限制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的核心，擔(dān)負(fù)著交換水箱參數(shù)與MATLAB限制量的任務(wù)。因?yàn)閃inCC軟件是由西門子公司開(kāi)發(fā)的，所以其與PLC的通訊較為簡(jiǎn)潔，只要通過(guò)建立變量，設(shè)定正確的地址，即可與PLC進(jìn)行通訊。WinCC與MATLAB的通訊則要通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行。由于WinCC運(yùn)行后，本身就可以作為OPC通訊方式的服務(wù)器，所以不須要再做其他設(shè)置，由MATLAB完成客戶端的設(shè)置即可。WinCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明a.打開(kāi)WinCC軟件，選擇“文件”→“新建”→“單用戶項(xiàng)目”，在“創(chuàng)建新項(xiàng)目”對(duì)話框中填寫工程名稱和選擇路徑，然后單擊“創(chuàng)建”即可項(xiàng)目創(chuàng)建后，畫面如下圖b.在第一個(gè)選項(xiàng)“計(jì)算機(jī)”中，右鍵選擇“屬性”，在彈出的對(duì)話框中再選擇“屬性”，之后在彈出的“計(jì)算機(jī)屬性”對(duì)話框中選擇“啟動(dòng)”，勾選“變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)”、“圖形運(yùn)行系統(tǒng)”、“用戶歸檔”三個(gè)選項(xiàng)，然后單擊“確定”c.在“變量管理”選項(xiàng)上右鍵，單擊“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，選擇“SIMATICS7ProtocolSuite.chn”驅(qū)動(dòng)集，添加完成后如下圖所示d.本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采納的通訊方式，所以變量的添加都在“TCP/IP”選項(xiàng)下進(jìn)行。在“TCP/IP”選項(xiàng)上右鍵，單擊“新驅(qū)動(dòng)程序的連接”，在“連接屬性”對(duì)話框中單擊“屬性”，然后在“連接參數(shù)”對(duì)話框中，輸入PLC的CPU的IP地址和相應(yīng)槽號(hào)。這一步是WinCC在TCP/IP的通訊方式下與PLC通訊的關(guān)鍵。e.在新生成的連接上右鍵，單擊“新建變量”，在彈出的“變量屬性”對(duì)話框中，對(duì)變量命名，選擇類型，并選擇變量地址，地址與PLC編程中的相應(yīng)變量地址一樣。重復(fù)上述過(guò)程，將所需變量添加完成。同理，在“內(nèi)部變量”選項(xiàng)中，添加變量，這些變量的作用將在2.。。具體說(shuō)明。到此，主要的連接工作已經(jīng)設(shè)置完成。如下圖L1，L2分別代表液位計(jì)1,2的水位；P1,P2分別代表泵1,2內(nèi)部變量，in_L1、in_L2代表水位值，out_P1、out_P2代表泵的輸出值，SP是目標(biāo)液位指針。f.雙擊“變量記錄”選項(xiàng)，將液位值和泵值進(jìn)行歸檔設(shè)置，便于以后的利用。完成如下圖g.雙擊“圖形編輯器”選項(xiàng)，在彈出的圖版中就可以組態(tài)監(jiān)控畫面了。試驗(yàn)期間建立了多個(gè)監(jiān)控畫面，雖不太相同，但實(shí)質(zhì)功能是一樣的，最終完成的組態(tài)畫面如圖所示左邊的上圖是液位變更的曲線顯示。下圖是水泵的輸入電壓的變更曲線。右邊分別是液位和泵的實(shí)時(shí)值，還可以設(shè)置目標(biāo)水位置。右下角是系統(tǒng)的模擬圖。2.3MATLAB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣試驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路MATLAB在整個(gè)系統(tǒng)中是作為限制部分而存在的。MATLAB通過(guò)應(yīng)用PID算法，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整和限制。而要實(shí)現(xiàn)這一功能，就須要水位數(shù)據(jù)和限制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，即MATLAB與WinCC進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。在2.2.2MATLAB系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明在MATLABR2008a（）及以上版本中，供應(yīng)了OPCtoolbox，可以在MATLAB的simulink仿真下干脆運(yùn)用，只要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)OPC通訊。在MATLAB主程序界面中，單擊（simulink）按鈕，新建仿真界面，在模塊庫(kù)中找到OPCtoolbox，將模塊拉入界面中。模塊說(shuō)明：建立opc通訊的組態(tài)模塊，設(shè)置服務(wù)器的相關(guān)選項(xiàng)，模塊搭建時(shí)不參加連線。OPC讀取變量模塊，用于從wincc讀取水位數(shù)據(jù)。OPC寫變量模塊，用于將運(yùn)算值傳送回wincc并以此限制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。b.雙擊“OPCConfiguration”模塊，在彈出的對(duì)話框中，單擊“ConfigureOPCClients”按鈕，在彈出的“OPCClientManager”對(duì)話框中選擇“add”按鈕，再單擊“select”按鈕，找到“OPCserverWinCC”，單擊“ok”。單擊“connect”按鈕，即可與WinCC相連接。c.雙擊“OPCRead”模塊，在彈出的對(duì)話框中選擇服務(wù)器，修改sampletime（采樣時(shí)間）為0.05，之后單擊“AddItems”，在相應(yīng)菜單中即可找到WinCC中關(guān)于水位的內(nèi)部變量，選中即可。這一步實(shí)質(zhì)上就是WinCC和MATLAB關(guān)于相應(yīng)變量進(jìn)行對(duì)接的過(guò)程。如下圖所示選擇服務(wù)器，添加變量，修改采樣時(shí)間d.雙擊“OPCWrite”模塊，與OPCRead模塊的修改方式相同，選擇服務(wù)器，添加變量，修改該采樣時(shí)間，使限制輸出量與電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量實(shí)現(xiàn)對(duì)接。選擇服務(wù)器，添加變量，修改采樣時(shí)間b.在完成了OPC通訊的基本打算后，只須要搭建起限制部分的模型就可以了。依據(jù)自動(dòng)限制原理的基本學(xué)問(wèn)，對(duì)于單個(gè)輸入，單個(gè)輸出的系統(tǒng)，搭建其閉環(huán)反饋限制模型如下SP（目標(biāo)水位）與in_L1（實(shí)際水位）的差值構(gòu)成輸入，經(jīng)過(guò)PID限制器之后輸出，通過(guò)Saturation限幅模塊給電機(jī)從而調(diào)整水位達(dá)到目標(biāo)值。由于PID運(yùn)算的數(shù)值沒(méi)有一個(gè)固定的范圍，所以通過(guò)限幅模塊將輸出歸一化為0—100，當(dāng)運(yùn)算值小于0時(shí)均輸出0，大于100時(shí)均輸出100OPCRead與OPCWrite構(gòu)成一個(gè)事實(shí)上存在的反饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)限制。本系統(tǒng)最終的算法并不是簡(jiǎn)潔的一般PID限制，關(guān)于算法的探討在第三部分進(jìn)行具體的說(shuō)明。PID算法及參數(shù)整定的探討與試驗(yàn)3.1PID限制原理與參數(shù)整定方法、PID限制簡(jiǎn)介在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)整器限制規(guī)律為比例、積分、微分限制，簡(jiǎn)稱PID限制，又稱PID調(diào)整。PID限制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定性好、工作牢靠、調(diào)整便利而成為工業(yè)限制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全駕馭，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)時(shí)，亦或限制理論的其它技術(shù)難以采納時(shí)，系統(tǒng)限制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必需依靠閱歷和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID限制技術(shù)最為便利。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合PID限制技術(shù)。、PID限制原理PID限制，實(shí)際中也有PI和PD限制。PID限制器就是依據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出限制量進(jìn)行限制的。比例（P）限制比例限制是一種最簡(jiǎn)潔的限制方式。其限制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例限制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。積分（I）限制在積分限制中，限制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，假如在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)限制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消退穩(wěn)態(tài)誤差，在限制器中必需引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)限制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)限制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）限制在微分限制中，限制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變更率）成正比關(guān)系。自動(dòng)限制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)整過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其緣由是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變更總是落后于誤差的變更。解決的方法是使抑制誤差的作用的變更“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)當(dāng)是零。這就是說(shuō)，在限制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前須要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)料誤差變更的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的限制器，就能夠提前使抑制誤差的限制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避開(kāi)了被控量的嚴(yán)峻超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)限制器能改善系統(tǒng)在調(diào)整過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。、PID限制器的參數(shù)整定PID限制器的參數(shù)整定是限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是依據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID限制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID限制器參數(shù)整定的方法許多，概括起來(lái)有兩大類。1.理論計(jì)算整定法：它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定限制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以干脆用，還必需通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。2.工程整定方法：它主要依靠工程閱歷，干脆在限制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)潔、易于駕馭，在工程實(shí)際中被廣泛采納。PID限制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后依據(jù)工程閱歷公式對(duì)限制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采納哪一種方法所得到的限制器參數(shù)，都須要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最終調(diào)整與完善。PID各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的試驗(yàn)驗(yàn)證3.2.1算法選擇：MATLAB自帶一般PID試驗(yàn)方法：Ki與Kd設(shè)置為0，通過(guò)Kp的不同大小來(lái)反映其對(duì)系統(tǒng)的影響試驗(yàn)取樣：Kp值分別取10，20，30，40，起始水位0CM，水位目標(biāo)10CM試驗(yàn)截圖：Kp=10水位穩(wěn)定在4CM左右，存在穩(wěn)態(tài)誤差。Kp=20水位穩(wěn)定在7CM左右，亦存在穩(wěn)態(tài)誤差，但比Kp=10時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差要小。Kp=30水位值在目標(biāo)值旁邊震蕩，說(shuō)明Kp過(guò)大會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)峻超調(diào)，且無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。Kp=40震蕩進(jìn)一步嚴(yán)峻。試驗(yàn)結(jié)論：可見(jiàn)，在只有比例作用時(shí)，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，而隨著比例作用的增加，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)峻超調(diào)甚至是震蕩，所以單獨(dú)的比例限制很難保證系統(tǒng)的限制效果，須要加入其他的限制方式。積分環(huán)節(jié)(I)算法選擇：MATLAB自帶一般PID試驗(yàn)方法：Kp=10，Kd=0，通過(guò)Ki的不同大小來(lái)反映其對(duì)系統(tǒng)的影響試驗(yàn)取樣：Ki值分別取1，2，5，起始水位0CM，水位目標(biāo)10CM試驗(yàn)截圖：

Ki=1加入肯定的積分作用后，穩(wěn)態(tài)誤差消退，系統(tǒng)反應(yīng)較好，沒(méi)有過(guò)大超調(diào)。Ki=2增大積分作用，系統(tǒng)反應(yīng)速度減慢（峰值達(dá)到15CM），調(diào)整時(shí)間增長(zhǎng)。Ki=5系統(tǒng)反應(yīng)速度進(jìn)一步減慢（峰值達(dá)到18CM），調(diào)整時(shí)間特別長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)論：由試驗(yàn)可以看出，積分環(huán)節(jié)可以有效的消退穩(wěn)態(tài)誤差，但是當(dāng)積分環(huán)節(jié)的作用過(guò)強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度會(huì)變慢，調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這明顯是不符合要求的。所以須要利用比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的協(xié)作，來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的目標(biāo)，一個(gè)水箱環(huán)節(jié)用比例與積分的作用就可以達(dá)到比較滿足的限制效果。微分環(huán)節(jié)(D)算法選擇：MATLAB自帶一般PID試驗(yàn)方法：Kp=15，Ki=1，通過(guò)Kd的不同大小來(lái)反映其對(duì)系統(tǒng)的影響試驗(yàn)取樣：Kd值分別取0，2，5，起始水位0CM，水位目標(biāo)10CM試驗(yàn)截圖：

Kd=0在只有比例和積分的作用時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有過(guò)大的超調(diào)，但是調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。Kd=2Kd=5試驗(yàn)結(jié)論：由試驗(yàn)可以看出，微分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有修正的作用，可以使系統(tǒng)提前對(duì)誤差作出反應(yīng)，避開(kāi)出現(xiàn)較大的超調(diào)。但是當(dāng)微分作用過(guò)強(qiáng)時(shí)會(huì)影響積分的作用時(shí)間，使系統(tǒng)離目標(biāo)水位還有肯定距離的時(shí)候就起先減緩上水速度，影響工作效率。實(shí)際調(diào)整時(shí)，微分僅用來(lái)進(jìn)行微調(diào)整，不作為主要的限制手段。3.3對(duì)限制系統(tǒng)參數(shù)的整定整定思路與具體方法思路在明確了各個(gè)參數(shù)的實(shí)際作用后，依據(jù)先P后I最終D的一般依次進(jìn)行整定。由于系統(tǒng)本身的數(shù)學(xué)模型并不知道，所以采納工程整定的方式，系統(tǒng)保持運(yùn)行狀態(tài)，在線整定。具體方法a.確定比例環(huán)節(jié)P確定比例環(huán)節(jié)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ki為較大值、Kd=0，使PID為純比例調(diào)整。由0漸漸加大比例環(huán)節(jié)Kp，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從今時(shí)的比例環(huán)節(jié)Kp漸漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消逝，記錄此時(shí)的比例環(huán)節(jié)Kp，設(shè)定PID的比例環(huán)節(jié)Kp為當(dāng)前值的50%~70%。比例環(huán)節(jié)P調(diào)試完成。b.確定積分環(huán)節(jié)I比例增益Kp確定后，設(shè)定一個(gè)較小的Ki的初值，然后漸漸增大Ki，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過(guò)來(lái)，漸漸減小Ki，直至系統(tǒng)振蕩消逝。記錄此時(shí)的Ki，設(shè)定PID的Ki為當(dāng)前值的45%~60%。Ki調(diào)試完成。c.確定微分環(huán)節(jié)DKd一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定P和Ki的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。d.系統(tǒng)在線運(yùn)行，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。參數(shù)整定的試驗(yàn)過(guò)程與分析試驗(yàn)方法：依據(jù)上述調(diào)整方法在線整定試驗(yàn)過(guò)程：經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選，最終確定Ki值為1，Kp值取10—25之間基本能達(dá)到最好的效果。水位變更為10CM到15CM，15CM到10CM，10CM到20CM，20CM到10CM，截圖如下KP=10，Ki=1，Kd=010CM到15CM15CM到10CM10CM到20CM20CM到10CMKP=15，Ki=1，Kd=010CM到15CM15CM到10CM10CM到20CM20CM到10CMKP=20，Ki=1，Kd=010CM到20CM20CM到10CMKP=25，Ki=1，Kd=010CM到20CM分析：將上述試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)列成表格如下，數(shù)據(jù)從左至右為調(diào)整水位的動(dòng)態(tài)過(guò)程，例如第一行，當(dāng)水位位于10CM時(shí)，設(shè)定目標(biāo)值15CM，水位最超群調(diào)到達(dá)16.3CM，然后回落至15CM旁邊PID參數(shù)Ki=1Kd=010CM超調(diào)點(diǎn)15CM超調(diào)點(diǎn)10CM超調(diào)點(diǎn)20CM超調(diào)點(diǎn)10CMKp=101016.31571024.4204.610Kp=151016.1158.71022.7206.510Kp=201022.3206.710Kp=251015.9156.81022.0207.010可見(jiàn)，雖然在穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能已經(jīng)能達(dá)到要求，但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性卻不盡如人意，尤其是在水位大范圍變動(dòng)時(shí)，超調(diào)嚴(yán)峻。參數(shù)的調(diào)整方法已經(jīng)達(dá)到較好，說(shuō)明問(wèn)題可能出在算法自身或者是驅(qū)動(dòng)器的可利用調(diào)整范圍上面。通過(guò)這兩種方式，有可能使動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最佳化。3.4PID算法的探討與改進(jìn)算法的選擇PID算法多種多樣，不同的算法對(duì)應(yīng)解決不同的問(wèn)題，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。在對(duì)水箱的限制過(guò)程中，水位從高水位回落時(shí)，原始PID的運(yùn)算限制量會(huì)呈現(xiàn)線性趨勢(shì)（即偏差存在的時(shí)間越長(zhǎng)，限制量就更加加大），水位回落過(guò)程中，限制量會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，而試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換都進(jìn)行了歸一化處理，即保證0—100對(duì)應(yīng)有效的1—5V限制電壓，所以當(dāng)水位回落至要求的高度時(shí)，限制量起先從負(fù)值增加，而從負(fù)值增加到0的這段時(shí)間屬于無(wú)效限制，即“飽和”的現(xiàn)象。從PID的限制性質(zhì)來(lái)看，這種問(wèn)題是由于PID限制中積分環(huán)節(jié)（I）的積累作用導(dǎo)致的。偏差存在時(shí)間越長(zhǎng)，積分積累的作用就越明顯，進(jìn)入飽和狀態(tài)的時(shí)間也越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)限制性能惡化。這種現(xiàn)象又稱為積分飽和現(xiàn)象。當(dāng)明確了限制性能上的問(wèn)題之后，隨即進(jìn)行了算法的改進(jìn)。抗積分飽和的算法有許多種，如積分分別PID，積分反饋PID，變速積分PID，梯形積分PID等等。后來(lái)從應(yīng)用上考慮，選擇了積分分別和積分反饋PID兩種算法進(jìn)行試驗(yàn)。積分分別PID算法的試驗(yàn)算法介紹：所謂積分分別PID，就是在被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分的作用，以免由于積分的作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大。當(dāng)被控量接近目標(biāo)值時(shí)，從新引入積分限制，以便消退穩(wěn)態(tài)誤差。搭建的matlab仿真模塊如下圖仿真模塊說(shuō)明：中間部分如2.。。介紹，即為搭建的PID模塊，其關(guān)鍵是利用switch模塊，當(dāng)其次通路的值大于某一設(shè)定值時(shí)，接通第一通路，即去掉了積分作用。當(dāng)其次通路小于設(shè)定值時(shí)，接通第三通路從新引入積分作用。試驗(yàn)結(jié)果：進(jìn)行了幾組試驗(yàn)，部分截圖如下可見(jiàn)動(dòng)態(tài)效果得到明顯改善，但是對(duì)于有些位置的限制很難保證，若過(guò)晚的引入積分作用，因?yàn)橹挥斜壤饔玫拇嬖?，使系統(tǒng)穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)誤差位置不再變更，或者比例作用過(guò)強(qiáng)而進(jìn)入振蕩狀態(tài)。而過(guò)早的引入積分作用，又會(huì)使飽和作用抑制的不夠完全，惡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。平衡點(diǎn)的選取很難把握，所以最終放棄了這種算法。積分反饋PID算法的試驗(yàn)算法介紹：所謂積分反饋PID，就是對(duì)積分本身引入反饋，使PID的運(yùn)算過(guò)程能夠快速脫離飽和區(qū)甚至是不進(jìn)入飽和狀態(tài)。進(jìn)入飽和區(qū)越深，反饋?zhàn)饔迷矫黠@，形成一種彈性限制效果，保證系統(tǒng)的快速反應(yīng)實(shí)力。而在非飽和區(qū)運(yùn)行時(shí)，積分反饋效果為0，即為一般PID限制。搭建的matlab仿真模塊如下圖仿真模塊說(shuō)明：積分的反饋量來(lái)自于限幅模塊（將PID運(yùn)算結(jié)果歸到0—100之間，小于0時(shí)輸出0，大于100時(shí)輸出100）的兩端，將他們的差值進(jìn)行肯定的增益后反饋給積分環(huán)節(jié)，從而達(dá)到抗積分飽和的效果。在文獻(xiàn)中，積分反饋的增益稱為Tt，即為四個(gè)參數(shù)的PID限制。同時(shí)，在水位較低的區(qū)間，積分積累的時(shí)間較短（水位上升快），應(yīng)選用較小的積分反饋的增益Tt，避開(kāi)過(guò)快的退出滿運(yùn)行狀態(tài)，使調(diào)整時(shí)間增大。而在水位較高的區(qū)間，積分積累的時(shí)間較長(zhǎng)（水位上升慢），應(yīng)選用較大的積分反饋的增益Tt，避開(kāi)積分退出飽和區(qū)過(guò)慢，產(chǎn)生大的超調(diào)，調(diào)整時(shí)間增長(zhǎng)。依據(jù)這一思路，對(duì)上述的模塊進(jìn)行微小的改進(jìn)，重新搭建的模塊如下圖所示通過(guò)引入一個(gè)switch復(fù)合開(kāi)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)要求，switch模塊是由其次通道作為選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)滿足switch的內(nèi)部設(shè)置條件時(shí)，開(kāi)關(guān)接通一通道；不滿足條件時(shí)開(kāi)關(guān)則接通三通道。如圖所示，條件即為二通道的輸入大于11.3CM，也就是實(shí)時(shí)水位大于11.3CM。經(jīng)過(guò)在線調(diào)整之后，得出的效果較好的限制參數(shù)如下試驗(yàn)結(jié)果：進(jìn)行了幾組試驗(yàn)，部分截圖如下利用積分反饋的方法達(dá)到了相當(dāng)好的限制效果，動(dòng)態(tài)性能改善顯著。3.5驅(qū)動(dòng)器特性探討及限制改進(jìn)問(wèn)題簡(jiǎn)述與改進(jìn)思路在上文中提到過(guò)，限制量的輸出為0—100，系統(tǒng)的有效輸出電壓為1—5V，理論上有效的限制范圍即為1—5V。