自动化生产实训报告

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：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。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。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。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。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*(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。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。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64%的高度。由前面的理论推导可以知道：K=T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:G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=T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:G做进一步验证。JV16的开度为45度左右，从图像可知:∇y∇(2)在JV开度为55度时，从图像可知：

∇y∇ 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：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。传感器获取的水位受水的波动等影响，呈现出轻微的振荡。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。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。其它的测定动态特性的方法K= 整定后，参数如下：Kp=2.98Td=8.28Ti=18.34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%30sSignalconstrait44%25s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控制器阀门PID控制器液位 液位液位设定 图液位PID控制框图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。P=2的时候，余差为10图P=1时的阶跃响应P=4的时候，余差为6P=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σp。 a)Ti=0.5时，超调量为23.3%7b)Ti=2时，超调量为6.7%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=2a)Td=100b)Td=10Td=55、经过比对，选择参数K=2Ti=2Td=5可以得到比较满意的参数。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。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控制器阀门PID控制器流量 流量流量设定 图流量PID控制框图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=0.1，使用PI控制器，设定不同的KpKp=0.05的时候，超调量为1.7%，调节时间为40sKp=0.5的时候，超调量为31.7%，调节时间为30sKp=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Tia)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=0.05Td=10（较大，防止振荡）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/%0020.0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控制器阀门PID控制器压力 压力压力设定 图压力PID控制框图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KpKp=0.2的时候，超调量为0，调节时间为20sKp=0.2的时候，超调量为0，调节时间为15sKp=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