自动化生产实训报告

1、北京科技大学自动化生产线实训实验报告班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 年 月 日北京科技大学自动化学院 自动化生产线实训实验报告目 录1系统概述11.1实验对象11.2上位机软件21.3下位机21.4实验任务与目的21.5分组情况32单容水箱建模42.1建模方法概述42.1.1 机理建模42.1.2 实验方法建模42.1.3 对象模型的影响因素分析52.2阶跃响应法建模52.2.1 理论基础52.2.2 实验步骤62.2.3模型建立62.2.4 结果分析83 Matlab仿真实验103.1k的求取103.2T和的求取103.3误差分析103.4PID参数的整定124单容水箱P

2、ID控制174.1液位控制174.1.1实验原理174.1.2实验步骤174.1.3结果分析214.2流量控制（选做）224.2.1实验原理224.2.2实验步骤234.2.3结果分析254.3压力控制（选做）254.3.1实验原理254.3.2实验步骤264.3.3结果分析285实训总结295.1目标，过程，结果等分析295.2对实训的收获，要求和建议296流量液位串级控制系统306.1内环的整定306.2 外环的整定326.3 结果分析35ii北京科技大学自动化学院 自动化生产线实训实验报告1系统概述1.1实验对象A1000小型过程控制实验系统，即水箱控制系统。通过对手阀的调节可以形成单容

3、、双容、三容水箱控制系统。三个水箱每个都配备进水孔，出水孔，溢流孔，液位计。进水管配流量计和压力计。系统有两个水泵。图 A1000小型过程控制实验系统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。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

4、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

5、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。图 A1000小型多参数过程控制系统流程图1.2上位机软件上位机组态软件为组态王。组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000/7 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制

6、能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。1.3下位机西门子S7-200PLC，是最低端系列，适用于小型、对控制要求高的场合，后续衍生产品还有1200系列，smart200系列。S7-200接线如图1所示。如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。图1 S7-200信号接线图1.4实验任务与目的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

7、得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其数学模型。4. 使用MATLAB软件在实验数据得到的模型中加入PID控制器进行仿真测试，并对PID参数调整。5. 利用组态王软件对实际单容水箱闭环液位系统进行PID整定。1.5分组情况组长：程顺均组员：樊斌、孙洪友、白茹3北京科技大学自动化学院 自动化生产线实训实验报告2单容水箱建模2.1建模方法概述2.1.1 机理建模机理分析是根据对现实对象特性的认识，分析其因果关系，找出反映内部机理的规律。立足于揭示事物内在规律。通过内在机理分析，按照质量、能量、动量守恒定律，通过理论推导建立过程数学模型的方法，称为机理分析建模法。机理分析建模的基本依据：

8、质量守恒(物质不灭定律)、能量守恒(热力学第一定律，系统能量的增加等于加入系统的热量减去系统对外所做的功)、动量守恒(牛顿第二定律，系统的动量变化率与作用在该系统上的力相等)。使用基本定律的方法：根据系统的具体情况，规定一个划定体积，以这一个划定体积为对象，依据守恒定律，列些衡算方程。质量守恒：物料衡算；能量守恒：热量衡算；动量守恒：动量衡算。机理建模具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。但对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能使用。2.1.2 实验方法建模机理法建模需要一定条件，但多数工业过程机理复杂或者环

9、节较多，难以理论分析建立模型。并且某些对象在运行过程中其动态特性随着工况的改变而改变。实验方法建模不需要了解对象的工作机理，依据输入输出实验数据，通过过程辨识和参数估计的方法建立模型。对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为地输入作用(输入量)，然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量(输出量)随时间变化的规律，得到一系列实验数据(或曲线)。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。常用的实验性能测试方法有阶跃响应曲线法。2.1.3 对象模型的影响因素分析2.2阶跃响应法建模2.2.1 理论基础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，为对象放大

10、系数，为对象时间常数，为对象纯滞后。需要参数辨识： 、。方法有两种：作图法和计算法。1. 一阶惯性环节加纯延迟的系统曲线在t=0处斜率为0，随后斜率增大 ，到达拐点D后斜率减小，曲线为S形。可近似为一阶惯性环节加纯延迟系统。如图所示。图4 一阶惯性加纯延迟系统阶跃响应曲线式中：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(1) 作图法：通过拐点D作切线，交时间轴于B,交稳定线于A，A时间为OC。=BC，=OB。(2) 计算法将归一化：阶跃响应为取 ,得：化简得：若取y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63,由图求出相应的t1 和 t2，得：校验：取y*(t3)=0.55,y*(

11、t4)=0.87,由图求出相应的t3和 t4，得：校验结果：如果校验结果相差较大，需要用更高阶模型结构。2.2.2 实验步骤1）取两次阀位模型2）每次阀位，取两次阶跃响应建模实验结果，重要步骤需要截图。2.2.3模型建立根据过程控制知识可以知道，一般单容水箱的模型为一阶系统加1. JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭，等待系统稳定下来，将控制量由原来的20%增大到25%，等待系统稳定，产生结果如下图：图6 阀门开度45度时控制量由20%增大到25%时系统响应曲线由该图6可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在38%的高度变成了稳定在

12、64%的高度。由前面的理论推导可以知道：K= y()u= 64%-38%25%-20%=5.2T为液位上升到平衡液位的63.2%的时间，即y上升到38% +(64% - 38%)*63.2% = 54.432%所花的时间从上图可以看出T = 65s从图像可以知道，系统的延迟比较小，如果忽略系统的延迟，则有系统的传递函数为:Gs= 5.265s+12. 当JV16的开度为55度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来， 将控制量由原来的0%增大到20%，等待系统稳定，产生结果如下图：图7 阀门开度55度时控制量由0%增大到20%时系统响应曲线由该图7可知，当控制量由0%增大到20%时，系

13、统液位由原来稳定在0%的高度变成了稳定在36%的高度。由阶跃响应法可知：K= y()u= 36%-0%20%-0%=1.8T为液位上升到平衡液位的63.2%的时间，即y上升到36%*63.2% =22.752%所花的时间从上图可以看出T = 45s从图像可以知道，系统的延迟比较小，如果忽略系统的延迟，则有系统的传递函数为:Gs= 1.845s+12.2.4 结果分析1. 分析结果的正确性，合理性忽略掉延迟，水箱可以使标准的一阶系统吗，根据标准一阶惯性系统的典型特征：y(2T)= 0.87yT2=0.39做进一步验证。(1)在JV16的开度为45度左右，从图像可知:y2T= 60%-38%64-

14、38%= 2226=84.6%T2= 48%- 38%64%-38%= 38.5%(2)在JV开度为55度时，从图像可知：y2T= 30%-0%36-0%= 3036=83.3%T2= 16%- 0%38%-0%= 42.1%虽然得到结果与理论有差距，但是在误差允许范围内，所以用一阶系统对水箱建模是准确的。误差原因是多方面的：1) 组态王画面的表格精度不够，读取数据的时候很难获取准确的值。2) 传感器获取的水位受水的波动等影响，呈现出轻微的振荡。3) 当水位过低的时候，传感器获取的水位并不是零，说明传感器的矫正不好。2. 测定动态特性的时域方法优缺点优点：控制系统的时域分析法可以研究系统在典型

15、输入信号作用的性能，对于一阶、二阶系统可以快速、直接地求出输出的时域表达式，绘出响应曲线，从而利用时域指标直接评价系统的性能。因此，时域法具有直观、准确的优点。缺点：工程实际中有大量的高阶系统，要通过时域法求解高阶系统在外输入信号作用下的输出表达式是相当困难的，需要大量计算，只有在计算机的帮助下才能完成分析。此外，在改善系统性能时，采用时域法难于确定该如何调整系统的结构或参数。3. 其它的测定动态特性的方法频域测定动态特性：正弦输入的稳态输出也是同频率的正弦信号，所不同的是在不同频率下，其幅值响应和相位滞后都不相同，它们都是输入频率的函数。因此，可以用不同频率的正弦信号去激励测试系统，观察其输

16、出响应的幅值变化和相位滞后，从而得到系统的动态特性。3 Matlab仿真实验3.1 k的求取由上次实验所得到的数据可以求取：K= y()u= 64%-38%25%-20%=5.23.2 T和的求取1） 计算法编写好m代码，从exel中读取数据，运行得到结果：T = 63.32 =3.27最后得到系统的传递函数:Gs= 5.263.32s+1e-3.27s2)同上，使用matlab可以画出响应曲线的切线：与时间轴交于=2.18,切线与y()的交点的时间值为T = 58.56，最后可得传递函数为：Gs= 5.258.56s+1e-2.18s3.3 误差分析Matlab中的simulink具有强大的

17、功能，使用其可以绘制出系统的响应曲线。a) 在simulink连接好系统：设定阶跃信号：仿真后：与原系统响应的曲线对比，基本相似，说明误差在允许范围内。b) 改动a中的参数，可以得到作图法得到系统响应曲线：作图法的关键在于找准准确的位置，但是实际中由于一些干扰和作图的精确度问题，所以其精确度往往不如计算法。3.4 PID参数的整定1) 用simulink画出系统控制图：仿真，可以得到图像：由上图可以知道：Tm = 13.8s，Km = 6.52) 利用临界整定参数法得到下面的控制参数表：表-临界整定法整定的参数控制规律KpTiTdP3.45PI2.8612.47PID2.897.451.893

18、) 采用P控制器：4) 采用PI控制器5) 采用PID控制器6) 最后综合整定，选择参数如下：得到理想的过渡曲线：7) 最后Simulink中的Signal Constraint模块对系统采用PID调节规律时的控制器进行参数自整定，整定原理框图如下:整定后，参数如下：Kp = 2.98 Td = 8.28 Ti = 18.348) 结果分析表-三种整定方法的比对方法超调量调节时间临界整定57%50s人工优化30%30sSignal constrait44%25s364单容水箱PID控制4.1液位控制4.1.1实验原理实验使用西门子S7-200作为PID控制器，组态王可以调整PID的参数。压力传

19、感器获取液位参数后，经比较得到设定值与实际值的比较得到误差信息，再经过PID运算后，得到一个控制输出量，控制阀门的开度。经过调整，最后液位达到设定值。阀门PID控制器液位液位设定图 液位PID控制框图4.1.2实验步骤1、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。2、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。3、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。4、选定纯P的控制器，待系统稳定后改变设定值，然后测量余差。a) P =2的时候，余差为10图 P = 1时的阶跃响应b) P =4的时候，

20、余差为6c) P =10的时候，余差为0（振荡）5、I整定，选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。于是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，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p。a)Ti = 0.5时，超调量为23.3%7b)Ti=2时，超调量为6.7%c) Ti=1.2时，超调量为16.7%5、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。这里选择K = 2，Ti =

21、2a)Td=100b)Td = 10d) Td = 55、经过比对，选择参数K = 2 Ti = 2 Td = 5可以得到比较满意的参数。4.1.3结果分析a)P对系统的影响，从上述的纯P控制器的规律可以看出，P决定了系统的响应速度，另外，增大P可以减小余差，但是当P增加到余差接近于零时，系统振荡很严重，所以单纯的增大P不能用于减小系统误差。表-纯P控制下P对系统的影响P2410稳定时间/s352820（振荡）稳态误差/%1060（振荡）b)I对系统的影响，从上述的PI控制器与纯P控制器对比，当P相等时，有合适的I的PI控制器能消除余差。I越强，消除余差的能力也越强。但是从PI控制的3幅图像来

22、看，过大的I在启动阶容易导致超调并且延长了系统的过渡时间。另者，积分过大也能引起振荡。表-纯PI控制下I对系统的影响Ti100105过渡时间/s604575超调量/%23.316.76.7c)D对系统的影响，微分量有超前的预料作用，能减小超调和过渡时间。但是由于实际的系统中都存在一定的噪声，所以微分作用容易受噪声的影响而引起振荡，所以实际的系统中，微分量往往很弱。表-纯PID控制下D对系统的影响Td0.51.22过渡时间/s554575超调量/%25177d)PID系统中，增大P缩短了响应时间，但是同时超调量同时增大。增大I缩短了过渡时间，但是过大的I也会引起大的超调量，甚至振荡。D作为微分量

23、在一定条件下可以缩短过渡时间，起到提前抑制的作用。如果增大水箱容积，那么系统响应时间将会加长。4.2流量控制（选做）4.2.1实验原理实验使用西门子S7-200作为PID控制器，组态王可以调整PID的参数。流量传感器获流量参数后，经比较得到设定值与实际值的比较得到误差信息，再经过PID运算后，得到一个控制输出量，控制阀门的开度。经过调整，最后流量达到设定值。阀门PID控制器流量流量设定图 流量PID控制框图4.2.2实验步骤1、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。2、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。3、设置比例参数。观察计

24、算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。4、选定Ti = 0.1，使用PI控制器，设定不同的Kpa) Kp =0.05的时候，超调量为1.7%，调节时间为40sb) Kp =0.5的时候，超调量为31.7%，调节时间为30sc) Kp = 1的时候，超调量为23.3%，调节时间为20s5、选定Kp = 0.1，使用PI控制器，设定不同的Ti a) Ti=1，超调量为0，过渡时间为180sb) Ti = 0.5，超调量为0，过渡过程时间为120sc)Ti = 0.05,超调量为20%，调节时间为40s最后可以得出一组比较好的参数：Kp = 0.1，Ti = 0.05

25、 Td = 10（较大，防止振荡）4.2.3结果分析a)P对系统的影响，增大P可以减小余差，但是当P增加到余差接近于零时，系统振荡很严重，所以单纯的增大P不能用于减小系统误差。表-PI控制下P对系统的影响Kp0.050.51稳定时间/s403023.3稳态误差/%1.731.720b)I对系统的影响, I越强，消除余差的能力也越强。但是从PI控制的3幅图像来看，过大的I在启动阶容易导致超调并且延长了系统的过渡时间。另者，积分过大也能引起振荡。表-纯PI控制下I对系统的影响Ti10.50.05过渡时间/s18012040超调量/%0020.04.3压力控制（选做）4.3.1实验原理实验使用西门子

26、S7-200作为PID控制器，组态王可以调整PID的参数。压力传感器获取液位参数后，经比较得到设定值与实际值的比较得到误差信息，再经过PID运算后，得到一个控制输出量，控制阀门的开度。经过调整，最后液位达到设定值。阀门PID控制器压力压力设定图 压力PID控制框图4.3.2实验步骤1、启动计算机组态软件，进入实验项目界面。启动调节器，设置各项参数。启动右边水泵P102和调速器。2、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。3、设置比例参数。观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。4、选定Ti = 0.13，使用PI控制器，设定不同的Kpa) Kp =0.

27、2的时候，超调量为0，调节时间为20sb) Kp =0.2的时候，超调量为0，调节时间为15sc) Kp = 1的时候，超调量为0%，调节时间为3s5、选定Kp = 1.0,PI控制器，设定不同的Ti a) Ti=0.8，超调量为0，调节时间为60sb) Ti = 0.5，超调量为0，调节时间为30sc)Ti = 0.05,超调量为20%，调节时间为8s最后可以得出一组比较好的参数：Kp = 1，Ti = 0.08 Td = 10（较大，防止振荡）4.3.3结果分析a)P对系统的影响，增大P可以减小余差，但是当P增加到余差接近于零时，系统振荡很严重，所以单纯的增大P不能用于减小系统误差。表-P

28、I控制下P对系统的影响Kp0.050.51稳定时间/s403023.3稳态误差/%1.731.720b)I对系统的影响, I越强，消除余差的能力也越强。但是从PI控制的3幅图像来看，过大的I在启动阶容易导致超调并且延长了系统的过渡时间。另者，积分过大也能引起振荡。表-纯PI控制下I对系统的影响Ti10.50.05过渡时间/s18012040超调量/%0020.05实训总结5.1 目标，过程，结果等分析本次自动化生产实训，实验方案上采用两种形式：物理对象实验和MATLAB数字仿真实验。物理对象实验环境接近工业现场，实验操作和现场的操作有极大的相似性，不仅可以完成课程的实验，还可以加深我们对过程控制系统全面的了解和认识，培养了我们的实际操作能力；基于MATLAB的数字仿真实验具有简单明了的特点，锻炼了我们通过数学工具分析解决实际问题的能力，提高学生的科学素养，为今后的学习工作奠定良好的基础。这次实训的时间跨度很长，在这个过程中，学会了很多。比如在调节参数的时候