控制系统设计与实现报告

控制系统设计与实现实验报告北京科技大学自动化学院自动化生产线实训实验报告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。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（0～100Kpa；4～20mA）。流量测点2个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（0～5Kpa；4～20mA）。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。组态王6.53西门子S7-200PLC通过本系统学习组态软件、控制系统调节以及系统参数整定，通过自动控制设计与实现来达到理论与实际相结合的目的，利用实验分析得到的数据从而和理论值进行比较，分析误差产生的原因。组长：狄桂雨组员：王汝佳、哈明鸣从机理出发，用理论的方法推导被控对象的数学模型。单容水箱的模型如下图1所示：图1单容水箱模型初始情况：水箱液位高度为0稳定时：（3）式减（1）式出水量与水箱压力有关，水箱压力与水箱液位有关，设出水阀开度为R。则有：将（6）式代入（4）式中可得：对（8）式两边同作拉氏变换：通过实验的方法对系统的各项参数进行测定，从而通过各项参数对系统建立数学模型。阶跃响应曲线法是实验法的一种，即对被控对象施加一阶跃信号，通过输出波形求出相应的系统传递函数。对于水箱系统而言，阀门的开度以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。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。本实验采用阶跃响应法来确定模型中的相关参数。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、1）取两次阀位模型：第一次阀位开度为45度左右；第二次阀位开度为75度左右。2）分析建模：当JV16的开度为45度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：图3出水阀开到45度，控制量为20%时系统响应结果将控制量由原来的20%增大到25%，等待系统稳定，产生结果如下图：图4出水阀开到45度，控制量为25%时系统响应结果图5出水阀开到45度，控制量为20%时系统响应曲线图6出水阀开到45度，控制量为25%时系统响应曲线当JV16的开度为75度左右时，将控制量设置为50%后，等待系统稳定下来，其结果图如下：图7出水阀开到75度，控制量为50%时系统响应结果将控制量由原来的50%增大到55%，等待系统稳定，产生结果如下图：图8出水阀开到75度，控制量为55%时系统响应结果图9出水阀开到75度，控制量为50%时系统响应曲线图10出水阀开到75度，控制量为55%时系统响应曲线当JV16的开度为45度左右时，从图5和图6的响应曲线可知：所以，在阀位开度为45度左右的系统传递函数为当JV16的开度为75度左右时，从图9和图10的响应曲线可知：所以，在阀位开度为75度左右的系统传递函数为通过单容水箱液位特性的实验，得到阀门开度分别为45度和75度下系统的传递函数，利用MATLAB中的simulink控件对阀门开度分别为45度和75度下的系统进行仿真，得到如图12，图14所示的过渡过程曲线。图11阀门开度为45度的仿真系统图12阀门开度为45度的阶跃响应的过渡过程曲线图13阀门开度为75度的仿真系统图14阀门开度为75度的阶跃响应的过渡过程曲线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，由于纯延迟相对系统时间比较少（从实验图中可以看出），可以不考虑纯延迟，从而将其传函简化为。上式的传递函数与机理建模所得到的传递函数均为一阶惯性环节，从而合理验证系统可以看作为一阶惯性环节。根据系统传函，通过simulink仿真出来的系统过渡过程曲线可知，与实验所得的过渡曲线相吻合，可以看出该水箱系统的传递函数的正确性。因为系统本身为一阶惯性环节加延迟环节，因此系统的阶跃响应最终会趋于稳定。进一步验证了，对于水箱系统而言，阀门的开度以及调速器、水泵的特性都可能影响到系统的传递函数，所以没有一样的传递函数，但是在一定的液位高度范围内和一定的开度下，系统时间基本是一样的。1、在现场系统上，打开手阀JV22（即进水阀），调节JV26（即出水阀）开度到75度，其余阀门关闭。2、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。3、打开设备电源。（以上两步不需要同学们来完成，请跳过做下一步）4、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。5、系统稳定后可将调节器的手动控制切换到自动控制。6、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。7、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。8、减小P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。9、增大P重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。10、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。注意：（1）每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。（2）在对I参数进行设置之前，首先需要判断I参数的大小与积分作用大小的关系。方法是设置一个非常大的和一个非常小的I参数，分别观察实验结果。13、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形，据此列表记录不同值Ti下的超调量σp。14、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。15、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。16、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。先调节PID参数如图15所示，G为1，I和D均为0，添加扰动后，如图15所示，可以看出系统属于过阻尼状态，超调量为0，最终稳定在指定值上，且系统的稳态误差为0。在增益为1的调节下，加上扰动后系统的过渡过程曲线。由过渡过程曲线可知，当阶跃较大时，系统到达稳定状态的调节时间较阶跃较小时的调节时间长。图15G为1，I和D均为0加扰动后过渡过程曲线当调节参数G为5，I和D均为0，添加扰动后，如图16所示，其调节时间较比例系数为1时的更短，调节速度更快。根据阀位为75度的系统传递函数建立的MATLAB模型，如图所示，更能看出比例系数越大，其调节速度越快的特性。图16G为5，I和D均为0的调节曲线图17G为1，I和D均为0的P调节后系统仿真曲线图18G为5，I和D均为0的调节后系统仿真曲线在进行了P调节之后，继续对系统进行了PI调节，如图21所示为PI调解下，对系统添加扰动后的过渡过程曲线，其中参数G为1，I为1。在固定参数G不变的情况下，调节参数I为5，其系统的过渡过程曲线如图22所示，可以看出，积分环节在系统调节中具有消除余差的作用，只有当余差消失时，积分才会停止。在MATLAB中对上面的两种PI调节进行仿真，如图19、20所示，参数G为1，I为1的PI调节程序代码如下：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得到如图所示的过渡过程曲线，由程序运行结果可知：系统的超调量为：0.5643，调节时间为：13.5000，稳态值为：1.0246。从仿真的结果来看，进一步证明了积分在系统调解过程中的作用，即不断消除系统的余差。图19KG=1,KI=1调节下的系统单位阶跃响应曲线图20KG=1,KI=5调节下的系统单位阶跃响应曲线图21参数G为1，I为1加干扰后系统过渡过程曲线图22参数G为1，I为5加干扰后系统过渡过程曲线通过MATLAB系统仿真，我们采用较为明显的单位阶跃作为输入来了解Ti与系统之间的关系，我们组得到如下的一组数据，如表1所示。从表1中可知，随着Ti的减小，其峰值时间也在不断地减小，但是其超调量在不断增大，会导致系统稳定性的下降。表1系统各参数对照表P0.511I0.2215Ti2.27310.2Tp(峰值时间)29.10013.56.2Yss（稳态值）0.99991.02461.0006Ct(超调量)0.47590.56430.7934PI控制器改善给定系统稳定性的作用分析：根据比例和积分系数以及系统传递函数得出给定系统含有PI控制器的开环传递函数为：

系统由原来的0型提高到含有PI控制器的I型，对于控制信号来说，未加PI控制器前，系统的误差传递函数为：加入PI调节后采用PI控制可以消除系统响应速度信号的稳态误差。由此可见，PI控制器改善了0型系统的稳态性能。采用比例+积分控制规律后，控制系统的稳定性可以通过方程：由劳斯判据得：第一列全为正，所以所有的根位于左半平面，系统稳定。在经过PID调节后，分析系统出现的现象，系统在某一固定值上作等幅振荡，经分析得知，因为该系统积分环节非常强导致进水量振荡明显；系统的延迟环节的延迟时间较整个调节时间而言非常短。因此可以忽略延迟环节的延迟作用，在系统中没有必要加上微分环节。经过PID参数整定，我们得到了一条比较满意的过渡过程曲线，如图23所示。其中衰减比为4：1，系统的稳态误差为0，系统的最大偏差为3cm，振荡次数为两次，第一次恢复到给定值较快，以后虽然又偏离了，但是偏离不大，并经过几次振荡就稳定下来了，定量的看:第一个波峰的高度是第二个波峰高度的4倍。图23衰减比为4：1的过渡过程曲线由上图对比可见，实际实验中稳定后的曲线略有波动，而MATLAB与simulink仿真中的曲线比较平滑，这是由于MATLAB是在一个理想环境中进行的仿真，而在实际实验中，实验环境不能达到理想条件，水泵的能力终究是有上线的，所以造成了实验中的曲线稳定后依就会有小幅波动。本次实训的目标在于通过操控水箱液位调节系统，建立单容水箱的数学模型，并分析数学模型的正确性和合理性，在单容水箱数学模型的基础上添加比例、积分、微分环节，对液位PID单回路相关控制参数进行整定，从而找到一条理想的过渡过程曲线。另外，借助组态王软件建立单容水箱液位PID工程实现控制水箱液位自主调节的功能。实训过程中，通过对不同阀门开度的调节，直接在调速器上加定值电流，从而使得水泵具有固定流量，等待稳定后，突然增大调速器上的定值电流，得到液位的过渡过程曲线，进而获得液位调节的数学模型。保持阀位开度不变，分别对水箱系统模型添加比例、积分、微分环节，通过不同的比例系数、积分系数、微分系数和相应的不同过渡过程曲线，找出比例、积分、微分环节在水箱系统中的不同作用，进而找到一条较为满意的过渡过程曲线。在组态王中，通过对设备进行配置，使上位机与下位机之间建立有机联系协调工作，在数据词典中定义用户需要使用的变量。新建画面，在新建页面中搭建单容水箱液位PID界面。在后台编辑应用程序命令语言，自定义函数命令语言，以实现显示界面与操作与变量之间的正确联系与传递，从而使系统有条不紊地运行起来。经过本次实训，真正意识到理论与实际结合的总要性，之前在自动控制原理的课上学到的理论知识不知道如何使用，通过这次实训在单容液位PID参数整定的过程中看到自动控制的实验效果，采用P调时，控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差；采用PI

调时，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分控制可以是系统实现无静差的情况下保持恒速运行，实现无差调速，消除稳态误差；并且从实验结果出发，利用理论知识，进一步的验证了实验现象的正确性，加深自己对于自动控制课程的认识和理解。步骤：新建一个组态王工程，界面如图24所示；图24组态王工程界面在设备一栏中，点击新建，如图25；图25设备配置窗口在设备配置向导中，选择设备驱动中的PLC选项，点击西门子S7-200系列，选择PPI选项，如图26；图26匹配设备名称与设备所连接的串口中选择COM4，并为安装的设备指定地址，完成设备的建立。在建立整个工程的过程中，需要使用的所有变量都需要在数据词典中进行定义和声明，声明每个变量的数据类型，如图27所示，定义变量PID_MV，用于表示液位，数据类型为float，并把该变量放在寄存器V196中，可以用它来对实时曲线中液位的变化进行读写和记录。其他的变量以此类推，根据需要的类型进行定义，如图所示为单容液位PID工程中所定义的变量。图27数据词典中的变量定义窗口图28数据词典界面在画面一栏中，点击新建，会进入到画面建立页面，根据需要在工具栏中选用各种工具进行绘图和编辑，如图29所示，为我们组建立的单容液位PID操作界面，可以通过启动和停止按键对水箱的控制实验进行起停操作。参数设置按键可以调出PID参数设置界面，如图30所示。在PID参数设置界面，可以分别通过自动和手动按键对参数进行调整，在参数设置中，如图31所示，点击后会出现一个数字选择窗口，如图32所示。图29单容液位PID控制界面图30PID参数调节窗口图31工程运行界面图32数值输入窗口启动时对所有在数据词典中定义的常量进行赋初值操作，程序如下：CtrlName="S7-200全点";P_UNIT="增益";//在PID1画面中显示P的单位为增益I_UNIT="分";//在PID1画面中显示I的单位为分D_UNIT="分";//在PID1画面中显示D的单位为分SECTIONA=0;//段动画控制SECTIONB=0;LT_ENG=0.3;//30cm，即水箱高度，易于换算百分比PT_ENG=0.5;//50kPa压力FT_ENG=0.012;//1.2m3/h流量TE_ENG=1.0;//100\\本站点\IDUNIT=0.01666666666666666666;//分1/60,毫秒1000运行时程序：AlarmInfo="-";//由于变量定义很多控制器有所不同，所以这里对控制器进行调整if(CtrlName=="A1000仿真DDC控制"){//如果是DDC控制系统，则调用它，并修改DDC程序if(ExpSelect>200&&ExpSelect<250)DDCPID();}//发现DDE传输IO写，无法线性转