微机控制技术实验指导书2016-5

1、微机控制技术报告学院：自动化学院班级：自1305班姓名：闻福阳,与子：u201314651组员：何涛华中科技大学自动化学院2016年6月10号实验一输入/输由通道读写与工程数据测量标定10一、实验目的通过实验，学习计算机直接数字控制系统的结构，具体实现方法。掌握电脑与a/d、d/a模块之间的连接与通讯。掌握实际工程量与a/d、d/a数字量，模拟量之间的转换关系。学习组态软件mcgs的使用二、实验设备及仪表cs4000多功能过程控制实验装置。三、实验内容1 .熟悉实验设备的结构与使用。2 .用组态软件mcgs组态设备驱动，实现电脑与 a/d、d/a模块的正常通讯。3 .标定水箱液位，拟合出最佳工

2、作特性曲线。4 .用组态软件 mcgs设计简单的检测界面， 在界面以0100%的范围设定d/a端口控 制量、实时显示a/d端口数字量，以及显示经过转换后的水箱液位值。四、实验数据及具体步骤1 .统计并计算水位与a/d数值之间的关系根据a/d,d/a测试。在水箱高度0cm27cm范围内，分成若干等间距点，由低到高， 对应液位高度记录对应检测值；再由高到低，做同样的检测，如此反复多次。得出液位 检测值数据用表格记录。将数据录入到excel表格中，进行散点图绘制，并进行直线拟合，得出液位与 a/d 数值之间的关系。具体表格如下图所示：4#水箱液位标定实验台号：7#液位0369121518212427

3、a/d数值918.61123.41353.21575.01795.42030.42257.12475.82692.62913.0液位2724211815129630a/d数值2912.42710.42477.12236.42034.01798.41589.11350.91133.8918.6液位-ad值得到的线性关系为：h4 = 0.0134* ad4 -12.234式中h4代表液位，ad4代表a/d数值2 .用户界面的设计及参数启动脚本的设置如下图所示：界面中控制信号 mv4的初始值设定为0,输出h4初值设定为0.循环脚本的设置如下图所示:界面控制信号的数值mv4与其相应百分比信号mv4_1

4、的关系为： mv4=mv4_1*0.16+4液面高度 h4与水箱液位 a/d检测量ad4的关系为：h=0.0134*ad4-12.234 由此可设计用户界面窗口如下图所示：控制信号mv4j牌入花围1-100% !控制信号对应值(40)照水箱液使可口检制员adm (敷字输入标心水箝对应激性制度h* cm)进行数据测试:实验中所用变量:各交伴 偶辑电 查者 插入cd 工具（d 因口00帮助ond|i|h|缮|周 li阖福i川：丁|口唇倒切郢|目主控窗口 |伞设备窗口因用户窗口艇）实时数据库 舒运行策略名字类型 |注择虻机m数值型葩ad4max数值型的mmmin致值型融h4和值型住修h4max应值型

5、觞h4min双值型sinputetime字符型系统内建数据对象lnputetime1字符型ilnputstime字符型系统内建数据就象lnputuser1字符型系境内建蠢据对象s0lnpuluser2字符型系统内建数据对象g邺疵i数值型jmv4 1兔值型五.实验小结实验装置很高大上，整个实验也挺好玩的，充满了乐 趣，实验本身来说比较简答，主要是要搞清楚变量的设置， 及其各个量控制之间的关系，对于自控原理的认识又丰富了很多实验二液位数字pid控制程序设计与调试一、实验目的通过实验，学习数字 pid算法的程序设计。掌握 pid控制规 律及参数对系统特性影响的规律。二、实验设备及仪表cs4000多功

6、能过程控制实验装置。三、实验内容1 .水箱液位pid控制器“手动”与“自动”功能的程序设计2 .研究弁总结pid控制规律及参数对系统特性影响的规律。四、实验原理由文献，模拟过程控制的 pid控制算式为1de(t)u(t)=kpe(t)e(t)dt tdtidt(2)对应的数字pid控制算式为t /tu(k) = kpe(k)e(k) de(k)-e(k-1)ti j =ot若令ki=kct，kd=kc?,则上式写成 titu(k) =kpe(k) k-e(k) kd【e(k)-e(k -1) j=o上述式子中，u(t) t时刻的控制输出(控制量)，kp比例控制系数，ti积分时间常数，td微分时

7、间常数，k积分控制系数，kd微分控制系数，t采样时间，u(k)第k时刻的控制输出(控制量)。 k为了实现 u(k) =kpe(k) ke(k) &呼)- e(k -1) j=o可以在工程的“启动策略”中初始化相关变量。在“循环策 略”中完成pid算式。用于pid运算的检测值pv4应该用液位高度除网pv4喑用于pid运算的设定值sp4_1应该是输入设定值 sp4除以50,sp4sp4 1 = 一 50(为什么除以50?因为设备中，液位传感器的模拟量420ma 电流对应050cm检测高度)pid控制输出uk要经过转换变成420输出范围的变量 mv4:要注意手动输出控制量 mv4_1为0100%,与

8、d/a输出变量mv4的关系转换mv4 = 16* uk 4100mv 4 1=*(mv44)一 20 -4五、实验步骤1 .连线0010000道道道愈道道道道通通 通 通通通通通o0o01 00道 道 道道道道通通通通通通1卜通00。0通道11号水箱液位通道22号水箱通道33号水箱液位通道44号水箱通道5加热温度通道6短滞后温通道7通道9长滞后温度 涡轮流量通道8通道10电磁流量5号水箱2 .电气柜、实验台、设备对象的准备电气柜开机操作：将控制柜上“检测设备”、“变频器手自动切换”旋至“开”的状态，其余旋钮）旋至“关”的状态。打开“漏电保护空气开关”，按下“启动”按钮。“启动”绿灯点亮。实验台

9、上电：“对象信号面板”、“ ddc模块信号面板”开关分别旋至“开”的状态。实验对象准备：本次实验，使用 4#水箱，水流副管路。检查红色手动阀所在的副管路，全开进入 4#水箱的全部红色手动阀， 进入其它水箱的红色手动阀全关闭。3 .软件组态在mcgs组态环境下，打开“微机控制实验二 .mcg”程序。在“设备窗口”已经组态好设备驱动，在“用户窗口”已经设计了一个用户窗口 “ pid控制”窗口，该窗口放置了一个些简单的 液位控制流程界面控件。通过查看控件属性了解各控件对应的数 据变量。“手动/自动”按钮一一实现 pid控制的手动、自动切换；该按钮的基本属性设置该按钮对应一个开关变量 auto4,鼠标

10、点击 按钮将使auto4对应0或1,要求auto4=0时，实现手动功能； auto4=1时，实现自动功能。kp输入框一一比例系数ti输入框一一积分时间常数td输入框一一微分时间常数t输入框一一采样周期mv输入框一一手动状态时，由用户设置的输出量（0100%）sp输入框一一自动状态日t由用户设置的pid控制器的设定值。设定范围（050cm）。pv显示框头时显示 4#水箱液位。显示（050cm）料mif工u：m 5 r：h 口七如 0740 i2：h将该窗口设为启动窗口在实验一中，我们已经进行了液位检测与控制的实验。其中使用的变量如下。液位检测相关变量:液位采样值（从泓格i-7017端 口读入的数

11、值）对应的实际液位高度（050cm）标定的步 个占ad4_minh4_min数值型标定的第二个占1八、ad4_maxh4_max实时采样点ad4h4控制输出相关变量:用户界囿手动输出控制量（0100%）mv4_1数值型对应设备1-【泓格i-7024】端口输出变量mv4(420ma)首先，在“pid控制”窗口的属性中，添加“启动脚本”、“循环脚本”，界面能控制水流量，检测显示等功能。(实验一已经学习过)为了实验pid算法程序设计，我们定义如下一些变量用 于设计pid控制运算相关变量，需要将这些变量添加到数据库中用户界面输入的设定值(050cm)sp4数值型用于pid运算的相应设 定值(01)sp

12、4_1比例系数kp4积分时间常数ti4微分时间常数td4采样周期t4误差当前值、以及前 2 周期的误差值ek4 ek4_1、ek4_2归一处理后，用于 pid 内部运算的实时采样变量(01)pv4pid内部运算产生的控制变量(01)uk4上一周期的控制量uk4_1偏差累计值sum_ek4手动/自动切换变量auto4开关型实验中用到的变量如下图:ii4.脚本程序设计tiee 星星屋 tssss工sssts型至3lfflfissl皇良曼型员值值值ttffi值值值*符符值值%值减*tt*ttft值值值ft般敝*费检 maftt字字率efift掖裁裁里0 ma敖敖e6塞镇内数看时源 第展内建奥景*如

13、茶城内建歙餐酎* 系统内弟也抬舅*毫字i$aim uax 相皿：wh tmjt04 $ek4 加emj sem z !m4max fh4 min 潮 npuietimr sinpuistime 炼剧 rpirtuwerl 触inpmumei? |k0 mki jskp4i wfv4 tsfm fsp4_1 讪 bum tm tt4 细to ttu huk419在工程“运行策略”页面的“启动策略”中，插入“策略行”，添加“脚本程序”构件。在该“脚本程序”中，初始化相关变量。在工程“运行策略”页面的“循环策略”中，插入“策略行”，添加“脚本程序”构件。在该“脚本程序”中，编写pid程序。策略组态：

14、启动策略口眉|当束埼启动时运行一住巧.始化变量国本考序启动脚本如下:脚本程序ad4_nax - 2920 白+910 h4hax - 3u hhin - 0kp4 - 1kd - 1 ki * 1 t22mtd“1ehsekii 1-ekh 2-0sum emu,口 t31 ijk4 - ukh 1-0循环脚本如下的不杵序|，匕|鼻(|界1_d4篁则(循环策略/11)h4-d.0134*ad1 themsuh fk4 - sdh fki + fku - 一enbefuk4 - kpii * fku *kt -suh ek4 *kd *(fki-fk*t_1)if (uki 1) thenuk*

15、 - 1uk& - ukhndlffke 1-eku 产elsemuu6*nu* ”*pu* hpniji f运行结果:1可看出最后页面趋于稳定，但与设定值存在一定的误差。pid控制是根据偏差的比例(p)积分(i)微分(d)进行控制，根据控制规律u(t) = kpe(t) + fe(t)dt +td de(t)其中kp为比例 tidt增益，t1为积分时间常数，td为微分时间常数，u (t)为控制 量，e (t)为偏差。pid控制的规律：1,比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不 能消除误差，kp的加大，会引起系统的不稳定，。2,积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就 不

16、断地积累，输出控制量以消除误差，因此只要有足够的 时间，积分控制就能完全消除误差，积分作用过强会使系 统超调加大，甚至使系统出现震荡。3,微分作用可以减少超调量，克服震荡，使系统稳定性增高, 同时加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改变系 统性能。选做题：通过测试4林箱的飞升曲线，得到4#水箱的数学模型大约如下：生父=， (传递函数)q1(s) 120s 1我们采用振荡法确定 pid控制的参数。simulink图如下：1,首先只采用先只采用比例控制，然后使kp从0增加到临界值kr,这里临界值是指系统首次出现持续振荡时的增益值p=1.8时出现临界振荡，参数设置如下：undhon block

17、kara meters:产 uu lontrollerapid controllerthis block iftplenents continuoius- and discrete-line pid control aljoiithjie and ineludes advanced features such as anti-windupexternal reset, and sin-al tracking, tou can tune the pid cains automatically usins thep tuneu - - button (requires sijitulink con

18、trol design) b:orrtmllgf： p, fdch： paralleltime donain:(8) c ontim.ous-t meo discretmain pid advanced data types state attrifcnurtes,controller parantetersproportional (p) : lsb -5口期鼠口二 f 口null:tunei. b.f0 enable zero-crossine detectionok | cancel help此时的示波器输出为:ume offset: 0可以得出pr=1.8 2,对pi参数进行了整定。先

19、让积分常数为零，比例系数kp由小增加到0.03时，示波器观察输出电压开始出现等幅振荡，振荡周期为 6s参数设置为：勺 function block parameters: pid controllerfid controllerthis block iftpleiieiits coiitiliuoljs- and dlicfete-tifte pid control algdtithns and includeg advaiiced fftawres suet as anti-windup, external reset, and signal trackins. tou tune the p

20、id faihs automatically usins the p tune* * button (requires sinulink control design). gtmllr pi, form- parallelt inte domain:(s) c ontiiuiow-t in&o disorctc-timemain fid advanced gta types state attfibytescontroller parametersproportional (p):integral ci):匚口tnuenm&tcih f口 trmulzp+r-3external reset none ignore reset vhen linearizing:oe cancel help apply所以，kr=1.8,pr=26所以有 kp=0.6kr=1.08 ti=0.5pr=13,td=0.125pr=3.25pi