控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)報告

控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗報告北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)實驗報告A1000小型過程控制實驗系統(tǒng)其實就是一個水箱控制系統(tǒng)，通過對手閥的調(diào)節(jié)可以形成單容、雙容、三容水箱控制系統(tǒng)，并能進(jìn)行相關(guān)的實驗。本系統(tǒng)使用了西門子的S7-200PLC實現(xiàn)控制功能，同時使用組態(tài)王軟件編寫相應(yīng)程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。A1000小型過程控制實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由以下各部分組成：1）儲水箱主體，提供了整個系統(tǒng)的支撐。2）三容水箱左邊水箱有一個入水口和四個出水口。右邊上出水用于溢流，如果水過多則從中水箱溢流。右邊中出水口用于和中水箱形成垂直多容系統(tǒng)。右邊下出水口用于和中水箱形成水平兩容和水平三容。底部出水口用于水回到儲水箱。底部還有一個開口用于提供液位測量。中間水箱有五個入水口，兩個出入水口，兩個出水口。前面的入水口是兩個水路的入水。左右最上面的入水口用于左右兩個水箱溢流。左邊中出水用于和左邊水箱形成垂直多容系統(tǒng)。左邊下出水口用于和左水箱形成水平兩容，以及水平三容。右邊下出水口用于和右水箱形成水平兩容，以及水平三容。底部出水口用于水回到儲水箱。底部還有一個開口用于提供液位測量。中間有根管道，如果水過多則從此管道溢流。右邊水箱有一個入水口，四個出水口。左邊上出水用于溢流，如果水過多則從中水箱溢流。左邊下出水口用于和中水箱形成水平兩容，以及水平三容。底部出水口用于水回到儲水箱。底部還有一個開口用于提供液位測量。3）測控點壓力測點2個，用于測量泵出口的壓力（0～100Kpa；4～20mA）。流量測點2個，用于測量注水流量（0～0.6m3/h）。液位測點3個，用于測量各實驗水柱的水位（0～5Kpa；4～20mA）。4）循環(huán)泵潛水直流離心泵2臺，提供水系統(tǒng)的循環(huán)動力。通過調(diào)速器控制水泵的出口流量，作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。組態(tài)王6.53西門子S7-200PLC通過本系統(tǒng)學(xué)習(xí)組態(tài)軟件、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)參數(shù)整定，通過自動控制設(shè)計與實現(xiàn)來達(dá)到理論與實際相結(jié)合的目的，利用實驗分析得到的數(shù)據(jù)從而和理論值進(jìn)行比較，分析誤差產(chǎn)生的原因。組長：狄桂雨組員：王汝佳、哈明鳴從機理出發(fā)，用理論的方法推導(dǎo)被控對象的數(shù)學(xué)模型。單容水箱的模型如下圖1所示：圖1單容水箱模型初始情況：水箱液位高度為0穩(wěn)定時：（3）式減（1）式出水量與水箱壓力有關(guān)，水箱壓力與水箱液位有關(guān)，設(shè)出水閥開度為R。則有：將（6）式代入（4）式中可得：對（8）式兩邊同作拉氏變換：通過實驗的方法對系統(tǒng)的各項參數(shù)進(jìn)行測定，從而通過各項參數(shù)對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。階躍響應(yīng)曲線法是實驗法的一種，即對被控對象施加一階躍信號，通過輸出波形求出相應(yīng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。對于水箱系統(tǒng)而言，閥門的開度以及調(diào)速器、水泵的特性都可能影響到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，所以沒有一樣的傳遞函數(shù)，但是在一定的液位高度范圍內(nèi)和一定的開度下，系統(tǒng)時間基本是一樣的。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。本實驗采用階躍響應(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化過程記錄下來，得到廣義對象的階躍響應(yīng)曲線。圖2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、1）取兩次閥位模型：第一次閥位開度為45度左右；第二次閥位開度為75度左右。2）分析建模：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3出水閥開到45度，控制量為20%時系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果將控制量由原來的20%增大到25%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖4出水閥開到45度，控制量為25%時系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果圖5出水閥開到45度，控制量為20%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖6出水閥開到45度，控制量為25%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線當(dāng)JV16的開度為75度左右時，將控制量設(shè)置為50%后，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，其結(jié)果圖如下：圖7出水閥開到75度，控制量為50%時系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果將控制量由原來的50%增大到55%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖8出水閥開到75度，控制量為55%時系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果圖9出水閥開到75度，控制量為50%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖10出水閥開到75度，控制量為55%時系統(tǒng)響應(yīng)曲線當(dāng)JV16的開度為45度左右時，從圖5和圖6的響應(yīng)曲線可知：所以，在閥位開度為45度左右的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為當(dāng)JV16的開度為75度左右時，從圖9和圖10的響應(yīng)曲線可知：所以，在閥位開度為75度左右的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為通過單容水箱液位特性的實驗，得到閥門開度分別為45度和75度下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，利用MATLAB中的simulink控件對閥門開度分別為45度和75度下的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到如圖12，圖14所示的過渡過程曲線。圖11閥門開度為45度的仿真系統(tǒng)圖12閥門開度為45度的階躍響應(yīng)的過渡過程曲線圖13閥門開度為75度的仿真系統(tǒng)圖14閥門開度為75度的階躍響應(yīng)的過渡過程曲線經(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)加純延遲的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為，由于純延遲相對系統(tǒng)時間比較少（從實驗圖中可以看出），可以不考慮純延遲，從而將其傳函簡化為。上式的傳遞函數(shù)與機理建模所得到的傳遞函數(shù)均為一階慣性環(huán)節(jié)，從而合理驗證系統(tǒng)可以看作為一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)傳函，通過simulink仿真出來的系統(tǒng)過渡過程曲線可知，與實驗所得的過渡曲線相吻合，可以看出該水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的正確性。因為系統(tǒng)本身為一階慣性環(huán)節(jié)加延遲環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的階躍響應(yīng)最終會趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步驗證了，對于水箱系統(tǒng)而言，閥門的開度以及調(diào)速器、水泵的特性都可能影響到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，所以沒有一樣的傳遞函數(shù)，但是在一定的液位高度范圍內(nèi)和一定的開度下，系統(tǒng)時間基本是一樣的。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75度，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。（以上兩步不需要同學(xué)們來完成，請?zhí)^做下一步）4、啟動計算機組態(tài)軟件，進(jìn)入實驗項目界面。啟動調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項參數(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)。觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實驗。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)實驗的基礎(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σp。注意：（1）每當(dāng)做完一次實驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次實驗。（2）在對I參數(shù)進(jìn)行設(shè)置之前，首先需要判斷I參數(shù)的大小與積分作用大小的關(guān)系。方法是設(shè)置一個非常大的和一個非常小的I參數(shù)，分別觀察實驗結(jié)果。13、固定I于某一中間值，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σp。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)器控制實驗的基礎(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。先調(diào)節(jié)PID參數(shù)如圖15所示，G為1，I和D均為0，添加擾動后，如圖15所示，可以看出系統(tǒng)屬于過阻尼狀態(tài)，超調(diào)量為0，最終穩(wěn)定在指定值上，且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0。在增益為1的調(diào)節(jié)下，加上擾動后系統(tǒng)的過渡過程曲線。由過渡過程曲線可知，當(dāng)階躍較大時，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間較階躍較小時的調(diào)節(jié)時間長。圖15G為1，I和D均為0加擾動后過渡過程曲線當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)G為5，I和D均為0，添加擾動后，如圖16所示，其調(diào)節(jié)時間較比例系數(shù)為1時的更短，調(diào)節(jié)速度更快。根據(jù)閥位為75度的系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立的MATLAB模型，如圖所示，更能看出比例系數(shù)越大，其調(diào)節(jié)速度越快的特性。圖16G為5，I和D均為0的調(diào)節(jié)曲線圖17G為1，I和D均為0的P調(diào)節(jié)后系統(tǒng)仿真曲線圖18G為5，I和D均為0的調(diào)節(jié)后系統(tǒng)仿真曲線在進(jìn)行了P調(diào)節(jié)之后，繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行了PI調(diào)節(jié)，如圖21所示為PI調(diào)解下，對系統(tǒng)添加擾動后的過渡過程曲線，其中參數(shù)G為1，I為1。在固定參數(shù)G不變的情況下，調(diào)節(jié)參數(shù)I為5，其系統(tǒng)的過渡過程曲線如圖22所示，可以看出，積分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)調(diào)節(jié)中具有消除余差的作用，只有當(dāng)余差消失時，積分才會停止。在MATLAB中對上面的兩種PI調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真，如圖19、20所示，參數(shù)G為1，I為1的PI調(diào)節(jié)程序代碼如下：num=[1.921.92];den=[402.921.92];t=[0:0.1:100];[y,x,t]=step(num,den,t);plot(t,y);grid;mp=max(y);tp=spline(y,t,mp)cs=length(t);yss=y(cs)ct=(mp-yss)/yss得到如圖所示的過渡過程曲線，由程序運行結(jié)果可知：系統(tǒng)的超調(diào)量為：0.5643，調(diào)節(jié)時間為：13.5000，穩(wěn)態(tài)值為：1.0246。從仿真的結(jié)果來看，進(jìn)一步證明了積分在系統(tǒng)調(diào)解過程中的作用，即不斷消除系統(tǒng)的余差。圖19KG=1,KI=1調(diào)節(jié)下的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線圖20KG=1,KI=5調(diào)節(jié)下的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線圖21參數(shù)G為1，I為1加干擾后系統(tǒng)過渡過程曲線圖22參數(shù)G為1，I為5加干擾后系統(tǒng)過渡過程曲線通過MATLAB系統(tǒng)仿真，我們采用較為明顯的單位階躍作為輸入來了解Ti與系統(tǒng)之間的關(guān)系，我們組得到如下的一組數(shù)據(jù)，如表1所示。從表1中可知，隨著Ti的減小，其峰值時間也在不斷地減小，但是其超調(diào)量在不斷增大，會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降。表1系統(tǒng)各參數(shù)對照表P0.511I0.2215Ti2.27310.2Tp(峰值時間)29.10013.56.2Yss（穩(wěn)態(tài)值）0.99991.02461.0006Ct(超調(diào)量)0.47590.56430.7934PI控制器改善給定系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用分析：根據(jù)比例和積分系數(shù)以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)得出給定系統(tǒng)含有PI控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)由原來的0型提高到含有PI控制器的I型，對于控制信號來說，未加PI控制器前，系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為：加入PI調(diào)節(jié)后采用PI控制可以消除系統(tǒng)響應(yīng)速度信號的穩(wěn)態(tài)誤差。由此可見，PI控制器改善了0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。采用比例+積分控制規(guī)律后，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過方程：由勞斯判據(jù)得：第一列全為正，所以所有的根位于左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定。在經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，分析系統(tǒng)出現(xiàn)的現(xiàn)象，系統(tǒng)在某一固定值上作等幅振蕩，經(jīng)分析得知，因為該系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)非常強導(dǎo)致進(jìn)水量振蕩明顯；系統(tǒng)的延遲環(huán)節(jié)的延遲時間較整個調(diào)節(jié)時間而言非常短。因此可以忽略延遲環(huán)節(jié)的延遲作用，在系統(tǒng)中沒有必要加上微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過PID參數(shù)整定，我們得到了一條比較滿意的過渡過程曲線，如圖23所示。其中衰減比為4：1，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，系統(tǒng)的最大偏差為3cm，振蕩次數(shù)為兩次，第一次恢復(fù)到給定值較快，以后雖然又偏離了，但是偏離不大，并經(jīng)過幾次振蕩就穩(wěn)定下來了，定量的看:第一個波峰的高度是第二個波峰高度的4倍。圖23衰減比為4：1的過渡過程曲線由上圖對比可見，實際實驗中穩(wěn)定后的曲線略有波動，而MATLAB與simulink仿真中的曲線比較平滑，這是由于MATLAB是在一個理想環(huán)境中進(jìn)行的仿真，而在實際實驗中，實驗環(huán)境不能達(dá)到理想條件，水泵的能力終究是有上線的，所以造成了實驗中的曲線穩(wěn)定后依就會有小幅波動。本次實訓(xùn)的目標(biāo)在于通過操控水箱液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，建立單容水箱的數(shù)學(xué)模型，并分析數(shù)學(xué)模型的正確性和合理性，在單容水箱數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上添加比例、積分、微分環(huán)節(jié)，對液位PID單回路相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行整定，從而找到一條理想的過渡過程曲線。另外，借助組態(tài)王軟件建立單容水箱液位PID工程實現(xiàn)控制水箱液位自主調(diào)節(jié)的功能。實訓(xùn)過程中，通過對不同閥門開度的調(diào)節(jié)，直接在調(diào)速器上加定值電流，從而使得水泵具有固定流量，等待穩(wěn)定后，突然增大調(diào)速器上的定值電流，得到液位的過渡過程曲線，進(jìn)而獲得液位調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。保持閥位開度不變，分別對水箱系統(tǒng)模型添加比例、積分、微分環(huán)節(jié)，通過不同的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)和相應(yīng)的不同過渡過程曲線，找出比例、積分、微分環(huán)節(jié)在水箱系統(tǒng)中的不同作用，進(jìn)而找到一條較為滿意的過渡過程曲線。在組態(tài)王中，通過對設(shè)備進(jìn)行配置，使上位機與下位機之間建立有機聯(lián)系協(xié)調(diào)工作，在數(shù)據(jù)詞典中定義用戶需要使用的變量。新建畫面，在新建頁面中搭建單容水箱液位PID界面。在后臺編輯應(yīng)用程序命令語言，自定義函數(shù)命令語言，以實現(xiàn)顯示界面與操作與變量之間的正確聯(lián)系與傳遞，從而使系統(tǒng)有條不紊地運行起來。經(jīng)過本次實訓(xùn)，真正意識到理論與實際結(jié)合的總要性，之前在自動控制原理的課上學(xué)到的理論知識不知道如何使用，通過這次實訓(xùn)在單容液位PID參數(shù)整定的過程中看到自動控制的實驗效果，采用P調(diào)時，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差；采用PI

調(diào)時，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系，積分控制可以是系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無差調(diào)速，消除穩(wěn)態(tài)誤差；并且從實驗結(jié)果出發(fā)，利用理論知識，進(jìn)一步的驗證了實驗現(xiàn)象的正確性，加深自己對于自動控制課程的認(rèn)識和理解。步驟：新建一個組態(tài)王工程，界面如圖24所示；圖24組態(tài)王工程界面在設(shè)備一欄中，點擊新建，如圖25；圖25設(shè)備配置窗口在設(shè)備配置向?qū)е?，選擇設(shè)備驅(qū)動中的PLC選項，點擊西門子S7-200系列，選擇PPI選項，如圖26；圖26匹配設(shè)備名稱與設(shè)備所連接的串口中選擇COM4，并為安裝的設(shè)備指定地址，完成設(shè)備的建立。在建立整個工程的過程中，需要使用的所有變量都需要在數(shù)據(jù)詞典中進(jìn)行定義和聲明，聲明每個變量的數(shù)據(jù)類型，如圖27所示，定義變量PID_MV，用于表示液位，數(shù)據(jù)類型為float，并把該變量放在寄存器V196中，可以用它來對實時曲線中液位的變化進(jìn)行讀寫和記錄。其他的變量以此類推，根據(jù)需要的類型進(jìn)行定義，如圖所示為單容液位PID工程中所定義的變量。圖27數(shù)據(jù)詞典中的變量定義窗口圖28數(shù)據(jù)詞典界面在畫面一欄中，點擊新建，會進(jìn)入到畫面建立頁面，根據(jù)需要在工具欄中選用各種工具進(jìn)行繪圖和編輯，如圖29所示，為我們組建立的單容液位PID操作界面，可以通過啟動和停止按鍵對水箱的控制實驗進(jìn)行起停操作。參數(shù)設(shè)置按鍵可以調(diào)出PID參數(shù)設(shè)置界面，如圖30所示。在PID參數(shù)設(shè)置界面，可以分別通過自動和手動按鍵對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在參數(shù)設(shè)置中，如圖31所示，點擊后會出現(xiàn)一個數(shù)字選擇窗口，如圖32所示。圖29單容液位PID控制界面圖30PID參數(shù)調(diào)節(jié)窗口圖31工程運行界面圖32數(shù)值輸入窗口啟動時對所有在數(shù)據(jù)詞典中定義的常量進(jìn)行賦初值操作，程序如下：CtrlName="S7-200全點";P_UNIT="增益";//在PID1畫面中顯示P的單位為增益I_UNIT="分";//在PID1畫面中顯示I的單位為分D_UNIT="分";//在PID1畫面中顯示D的單位為分SECTIONA=0;//段動畫控制SECTIONB=0;LT_ENG=0.3;//30cm，即水箱高度，易于換算百分比PT_ENG=0.5;//50kPa壓力FT_ENG=0.012;//1.2m3/h流量TE_ENG=1.0;//100\\本站點\IDUNIT=0.01666666666666666666;//分1/60,毫秒1000運行時程序：AlarmInfo="-";//由于變量定義很多控制器有所不同，所以這里對控制器進(jìn)行調(diào)整if(CtrlName=="A1000仿真DDC控制"){//如果是DDC控制系統(tǒng)，則調(diào)用它，并修改DDC程序if(ExpSelect>200&&ExpSelect<250)DDCPID();}//發(fā)現(xiàn)DDE傳輸IO寫，無法線性轉(zhuǎn)