控制系统设计与实现报告(共30页)

1、北京科技大学控制系统设计与实现实践报告班 级： 专 业： 智能科学与技术 设 计 人（学号）： 组 员（学号） 指 导 教 师： 阎群 完 成 日 期： 2017 年 7 月 13 日教师评语目 录1 实践任务书11.1 实践目的11.2 实践内容及要求11.3 报告要求21.4 进度安排21.6 分组情况32 设计要求43 系统介绍43.1 系统简介43.2 对象系统介绍43.3 系统主体结构介绍54 实验建模研究64.1 实验建模理论基础64.2 单容水箱液位控制实验建模74.3双容水箱液位控制实验建模74.4 试验建模结果分析85 Matlab仿真研究95.1 模型计算95.2 PID控

2、制仿真研究106单闭环水箱PID控制106.1液位控制146.1.1实验步骤146.1.2结果分析196.2流量控制206.2.1实验步骤206.2.2结果分析206.3压力控制216.3.1实验步骤216.3.2结果分析217 流量液位串级控制227.1实验步骤227.2结果分析238实践总结258.1 目标，过程，结果等分析258.2对实践的收获，要求和建议251 实践任务书1.1 实践目的单容水箱液位模型测试：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）了解单容水箱液位单

3、闭环控制系统构成水平（垂直）双容水箱液位模型测试1）掌握水平与垂直双容水箱液位模型的调试方法2）熟悉双容水箱的数学模型及相应曲线单容水箱液位PID控制1）通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2）研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。 3）研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。 4）定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。单容水箱压力PID控制1）通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 3）定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性

4、能的影响。单容水箱压力PID控制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。1.2 实践内容及要求分析单容水箱液位单闭环控制系统构成，设计、调试单容水箱液位PID控制。单容水箱液位模型测试；水平（垂直）双容水箱液位模型测试。单容水箱流量PID

5、控制实验；单容水箱压力PID控制实验。设计调试双容水箱液位、压力单闭环控制系统流量-液位串级控制系统自行设计并调试闭环液位控制系统程序。1.3 报告要求 1）参照自动控制系统设计与实现报告模板撰写 2）详细写明设计思路，流程图，测试结果及分析论证 3）认真撰写心得体会及建议（其中包括对于课程改进） 4）标注主要参考文献1.4 进度安排6月26日-7月2日学习A1000小型过程控制系统实验指导书； 学习西门子可编程控制器S7-200/S7-300；学习组态王6.53.7月3日明确设计任务，熟悉简单控制系统的硬件设计。结合A1000小型过程控制系统实验指导书及具体实验设备，进一步熟悉系统构成，系统

6、中各部件功能，绘制完整的系统配电图。7月4日单容水箱液位模型测试；水平（垂直）双容水箱液位模型测试。7月5日分析单容水箱液位单闭环控制系统构成，设计、调试单容水箱液位PID控制。7月6日继续研究单闭环控制系统构成，研究系统设计、调试方法。单容水箱流量PID控制实验；单容水箱压力PID控制实验。7月7日 了解垂直、水平双容水箱系统构成，设计调试双容水箱液位、压力单闭环控制系统7月10日 流量-液位串级控制系统；参考设备现有上、下位机程序，自行设计并调试闭环液位控制系统程序。7月11日同第六次课内容7月13日提交报告，现场PPT讲解，答辩考核；1.5 考核办法平时成绩30%+报告成绩40%+答辩成

7、绩30%平时成绩：考勤、时间过程与能力评定答辩成绩：调试方法、运行结果的PPT展示及现场回答问题报告成绩：每位同学提交一份时间报告1.6 分组情况姓名学号任务备注主要完成流量液体实验内容，参与部分其他实验的操作，试验问题的整理组长主要完成液位PID实验内容，参与部分其他实验，试验问题整理，PPT制作组员主要完成压力、流量测试实验内容，参与其他部分实验操作组员主要完成液位特性试验内容，参与其他部分实验操作组员2 设计要求1） 满足工艺要求满足生产过程提出的要求和性能指标2） 可靠性高用系统平均无故障和平均维修时间衡量3） 操作性能好使用方便和维护容易4） 实时性强对内、外部时间及时作出响应5）

8、通用性好硬软件课移植6） 经济效益高系统性价比高，投入产出比低3 系统介绍（水箱结构特点/工艺/设备环境/软件 上位机 下位机控制器）3.1 系统简介A1000 小型过程控制实验系统其实就是一个水箱控制系统，通过对手阀的调 节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统，并能进行相关的实验。本系统使用 了西门子的 S7-200PLC 实现控制功能，同时使用组态王软件编写相应程序对该 系统进行实时监控。因此本系统非常适合学习组态软件、控制系统调节以及控制 器编程，也非常适合于进行算法研究。JV12流量FT1JV13溢出管JV14JV23溢出管JV24JV22V1V2V3液位LT1JV15JV25液流量F

9、T2P-46位LT3压力P1液位LT2压力JV16JV31JV26P2JV11溢出管JV21P1P2V43.2 对象系统介绍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 2 A1000 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。3.3 系统主体结构介绍A1000 小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成：1）储水箱主体，提供了整个系统的支撑。2）三容水箱左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流

10、。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用 于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个 水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用 于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水 过多则从此管道溢流。右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则 从中

11、水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部 出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。3）测控点压力测点 2 个，用于测量泵出口的压力（0100Kpa；420mA）。流量测点 2 个，用于测量注水流量（00.6m3/h）。液位测点 3 个，用于测量各实验水柱的水位（05 Kpa；420mA）。 4）循环泵潜水直流离心泵 2 台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。4 实验建模研究4.1 实验建模理论基础4.2 单容液水箱位控制实验建模 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

12、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。4.3双容水箱液位控制实验建模理论基础：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

13、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、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。4.4 试验建模结果分析1）结果基本

14、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5 Matlab仿真研究5.1 模型计算已知液位对象，在阶跃扰动u(t)=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：t/s0154575105145175205235265295h/mm01354145485152535454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。 (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

15、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和延迟时间分别为=15s,T=70-=55s 。则系统近似为一阶惯性加纯延迟的数学模型为已知液位对象，在阶跃扰动u(t)=20%时，其阶跃响应的实验数据如下图所示：t/s0154575105145175205235265295h/mm01354145485152535454若将液位对象近似为一阶惯性加纯迟延

16、，利用作图法确定其增益K，时间常数和纯迟延时间。 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.mtw=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

17、行程序ex3_2_2.m可得如下结果T=51.3467 =13.9321 则系统近似为一阶惯性加纯迟延的数学模型为 5.2 PID控制仿真研究稳定边界法的计算公式如下表所示。调节规律KpKiKdP0.5KpPI0.455Kp0535Kp/TPID0.6Kp1.2Kp/T 0.075Kp*TPID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： 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P = 3 , I = 0.01时，响

18、应曲线：发散不稳定。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 = 5时，响应曲线：P = 3 , I = 0.03 , D = 10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右图：再点击Apply,即可获取PID整定的参数:P = 1.43718340161503 ,I = 0.027

19、9552796902367D = 06单闭环水箱PID控制6.1液位控制6.1.1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，打开手阀JV22，调节JV26开度(如果你希望控制量范围50-70%，则要开很大，否则开少一些)，其余阀门关闭。3、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。4、打开设备电源。5、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置

20、各项参数。启动右边水泵P102和调速器。6、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制左图为S=30% P=2.5时的图像7、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，以下图均为S=30%的时刻 P=2.5 P=7.5P=15待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。我们选定了 P=7.5时刻为不变量，加入I进行测试：I=0.75 I=7.5 I=10000 8、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。（同上图）I=0.

21、75时 余差=2； I=7.5时 余差为0.8 I=10000时，余差=29、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线。我们选取了 I=1.25时P=1.5 P=110、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线。11、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值(如设定值由50变为60)，同样可以得到一条过渡过程曲线。12、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（中等大小），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p13、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

22、形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。14、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。15、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（阶跃输入可由给定值从突变10%左右来实现）。分析：我们运用控制变量的方法，先研究了P单独控制，观察比例调节作用的影响，通过实验图像可以得出，P值越大系统调节越快且对超调量几乎无影响，同时P是改变了调节力度而增快的调节时间，之后得到了一个较为好的图像我们又将固定，从而改变I的值，研究积分的作用，通过实验图可以得出，微分影响着到大

23、稳定的时间和超调量的大小，同理我们选取了一个PI效果较好的图形进行D的调节，从而观察微分的作用，可以看出D可以加快系统的响应速度，对偏差的变化进行提前预判。水平双容液位PID控制 P=1 I=1.5 D=0 20-50 P=1 I=2 D=0.01 20-50 P=0.9 I=2 D=0 50-20P=0.9 I=2 D=0 50-20垂直双容液位PID控制P=1 I=50 D=0P=1.8 I=1.9 D=0 P=2 I=2 D=0 P=2 I=2 D=06.1.2结果分析通过前边的控制变量的研究方法，大体得出了P、I、D分别控制着什么，我们从实验推荐的参数入手，并结合报告说明书中的范例图片

24、，进行PID的调节，最终得到了较好的图像。6.2流量控制6.2.1实验步骤1、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。2、启动计算机，启动组态软件，进入实验项目界面。3、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。4、把调节器切换到自动控制。5、在自动控制下系统稳定后，进行调试，测试图片如下。P=0.5 I=0.1 D=0 P=1 I=0.1 D=0 P=1.5 I=0.5 D=0.016.2.2结果分析我们通过之前实验的经验和软件中的建议参数，先尝试了第三个图的实验

25、（P=1.5 I=0.5 D=0.01），之后和实训说明书的范例图像做一个对比,感觉超调量过小了，增加了积分作用，但又担心调节力度会使曲线震荡，所以我们稍微的缩小了比例增益，然后得到第二个图，和对比图相比 超调量还是有些小，我们又尝试了一下，这回我们继续稍微增大了积分的数值，看到图像出现了细小的稳态误差，所以没有继续去测试，得到了以上的图片。，6.3压力控制6.3.1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I

26、O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。P=

27、1.75 I=0.5P=1.75 I=0.6P=1.75 I=0.656.3.2结果分析这个试验中，我们第一次 P=1.75，I=0.65 D=0的的尝试，得到的图像就比较理想，但是我们观察后，发现图中有一点微小的稳态误差，所以我们又尝试了一下增加了一下微分的作用，后来发现效果就更好，得到了积分可以减小稳态误差。7 流量液位串级控制7.1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，打开手阀JV12、JV16，JV22，JV26。3、在控制系统上，将支路1流量变送器（FT101）输出连接到控制器AI0，将支路2流量变送器（FT102）输

28、出连接到控制器AI1，U101控制端连接到AO0，调速器U102控制端连接到AO1，且U101手动控制。4、打开设备电源，包括调速器电源，变频器电源，变频器设为外部信号操作模式。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。启动调节器，设置各项参数，将调节器切换到自动控制。7、启动水泵P102。8、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数.建议：因为PID的SP值会有一定的波动，所以控制的稳定性稍差，有一些难度。注意控制目标是比值的稳定，而给定值也是比值；干扰可以是K值的改变，也可以是变频器控制量的改变（从而改变FT101）。主P=1.5 I=0.6 副P=1 I=0.5 流量0.53 液位14.8主P=2 I=0.5 副P=2 I=1.25 流量0.53 液位14.8主P=2 I=0.2 副P=1.5 I=0.57.2结果分析这里的实验自己没有怎么参与，我的同组同学得到的图像可以看出，稳态误差较大，波动较为频繁。可以看到PID1_PV的曲线在上升后下降速度快，要增大主调节器的积分时间常数。之后又增大了副调节器的积分时间常数值。通过比较可以看出后一幅图更满足控制系统的控制标准。8实践总结8.1 目标，过程，结果等分析目标：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