北科大自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報(bào)告

1、北京科技大學(xué)自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班 級(jí)： 自1302 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 崔家瑞 日 期：2016年5月30日北京科技大學(xué) 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報(bào)告 目 錄目 錄i1系統(tǒng)概述31.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象31.2上位機(jī)軟件31.3下位機(jī)31.4實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的31.5分組情況42單容水箱建模52.1建模方法概述52.1.1 機(jī)理建模52.1.2 實(shí)驗(yàn)方法建模52.1.3 對(duì)象模型的影響因素分析52.2階躍響應(yīng)法建模62.2.1 理論基礎(chǔ)62.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟72.2.3模型建立72.2.4 結(jié)果分析93.1利用Matlab建立系統(tǒng)模型123.1.1 作圖法123.1.2 計(jì)算法133.1.3 Si

2、mulink仿真163.1.4 誤差分析173.2利用Matlab對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定193.2.1 穩(wěn)定邊界法193.2.2 Signal Constraint模塊參數(shù)自整定223.2.3 比較分析254單容水箱PID控制274.1實(shí)驗(yàn)原理274.2實(shí)驗(yàn)步驟274.3結(jié)果分析285創(chuàng)新項(xiàng)目335.1創(chuàng)新項(xiàng)目介紹335.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的335.1.2實(shí)驗(yàn)步驟335.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果345.1.4結(jié)論375.2創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告376實(shí)訓(xùn)總結(jié)386.1目標(biāo)，過程，結(jié)果等分析386.2對(duì)實(shí)訓(xùn)的收獲，要求和建議38i北京科技大學(xué) 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)報(bào)告 自1302 劉琦 413510421系統(tǒng)概述1.

3、1實(shí)驗(yàn)對(duì)象本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和對(duì)象是一體的，連通手閥采用金屬球閥（長(zhǎng)80mm）圖1.1 A1000小型多參數(shù)過程控制系統(tǒng)流程圖該系統(tǒng)提供了兩路動(dòng)力支流，既可以滿足兩個(gè)同學(xué)同時(shí)進(jìn)行壓力、流量和液位實(shí)驗(yàn)，還可以一路用于提供水流，一路用于提供干擾。JV13和JV23提供泄漏干擾。1.2上位機(jī)軟件上位機(jī)組態(tài)軟件為組態(tài)王。1.3下位機(jī)西門子S7-200PLC。S7-200是最低端系列，適用于小型，對(duì)控制要求高的場(chǎng)合。1.4實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的1、熟悉本套系統(tǒng)，明確應(yīng)該如何進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)2、熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線3、根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法確定其參數(shù)。4、熟悉利用MA

4、TLAB建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。5、學(xué)會(huì)利用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)建模的方法。6、熟悉并學(xué)會(huì)穩(wěn)定邊界法。7、熟悉并學(xué)會(huì)PID參數(shù)的自整定法。8、較為深刻理解液位PID單回路控制的原理，并掌握PID相關(guān)參數(shù)的設(shè)定方法。1.5分組情況組長(zhǎng)：組員：2單容水箱建模2.1建模方法概述2.1.1 機(jī)理建模機(jī)理分析是根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象特性的認(rèn)識(shí)，分析其因果關(guān)系，找出反映內(nèi)部機(jī)理的規(guī)律。立足于揭示事物內(nèi)在規(guī)律。通過內(nèi)在機(jī)理分析，按照質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒定律，通過理論推導(dǎo)建立過程數(shù)學(xué)模型的方法，稱為機(jī)理分析建模法。機(jī)理分析建模的基本依據(jù)：質(zhì)量守恒(物質(zhì)不滅定律)、能量守恒(熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)能量的增

5、加等于加入系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對(duì)外所做的功)、動(dòng)量守恒(牛頓第二定律，系統(tǒng)的動(dòng)量變化率與作用在該系統(tǒng)上的力相等)。使用基本定律的方法：根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，規(guī)定一個(gè)劃定體積，以這一個(gè)劃定體積為對(duì)象，依據(jù)守恒定律，列些衡算方程。質(zhì)量守恒：物料衡算；能量守恒：熱量衡算；動(dòng)量守恒：動(dòng)量衡算。機(jī)理建模具有非常明確的物理意義，所得的模型具有很大的適應(yīng)性，便于對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。但對(duì)于某些對(duì)象，人們還難以寫出它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或者表達(dá)式中的某些系數(shù)還難以確定時(shí)，不能使用。2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法建模機(jī)理法建模需要一定條件，但多數(shù)工業(yè)過程機(jī)理復(fù)雜或者環(huán)節(jié)較多，難以理論分析建立模型。并且某些對(duì)象在運(yùn)行過程中其動(dòng)態(tài)特性

6、隨著工況的改變而改變。實(shí)驗(yàn)方法建模不需要了解對(duì)象的工作機(jī)理，依據(jù)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過過程辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的方法建立模型。對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)取法，就是在所要研究的對(duì)象上，加上一個(gè)人為地輸入作用(輸入量)，然后，用儀表測(cè)取并記錄表征對(duì)象特性的物理量(輸出量)隨時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(或曲線)。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表示對(duì)象的特性。常用的實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試方法有階躍響應(yīng)曲線法。2.1.3 對(duì)象模型的影響因素分析該實(shí)驗(yàn)對(duì)象模型的影響主要來自于傳感器的精度、液面的震蕩、建模處理方法等方面。2.2階躍響應(yīng)法建模2.2.1 理論基礎(chǔ)經(jīng)過詳細(xì)的理論推導(dǎo)可知，單容水箱的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的

7、系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為，式中，K為對(duì)象放大系數(shù)，為對(duì)象時(shí)間常數(shù)，為對(duì)象純滯后。由于純延遲相對(duì)系統(tǒng)時(shí)間比較少，可以不考慮純延遲，從而將其傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為。為確定本次實(shí)驗(yàn)的單容水箱的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，就需要確定該模型中的系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)和增益K，這就涉及到過程辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的問題。在由俞金壽、孫自強(qiáng)主編的過程控制系統(tǒng)一書中詳細(xì)介紹了兩種過程辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)的方法，即階躍響應(yīng)法和脈沖響應(yīng)法。本實(shí)驗(yàn)采用階躍響應(yīng)法來確定模型中的相關(guān)參數(shù)。下面對(duì)階躍響應(yīng)法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：傳遞函數(shù)求法非常簡(jiǎn)單，只要有遙控閥和被控變量記錄儀表就可以進(jìn)行。先使工況保持平穩(wěn)一段時(shí)間，然后使閥門作階躍式的變化（通常在10%以內(nèi)），同時(shí)把被控變量的變

8、化過程記錄下來，得到廣義對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線。圖2.1 由階躍響應(yīng)曲線確定、和的圖解法若對(duì)象的傳遞函數(shù)為，則可在響應(yīng)曲線拐點(diǎn)處做切線，如圖2，各個(gè)參數(shù)的求法如下：1、式中：為給階躍前后，系統(tǒng)最終穩(wěn)定到的值的差值，為所給階躍的大小。2、3、2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟1、JV12全開，JV16打開45度左右（由于開度不同，特性也有差異），其余閥門關(guān)閉。2、將LT101連到AI0輸入端，AO0輸出端連到U101(手動(dòng)輸出)。3、工藝對(duì)象上電，控制系統(tǒng)上電，調(diào)速器U101上電，啟動(dòng)P101。（以上兩步不需要同學(xué)們做，直接跳過，進(jìn)行下一步）4、啟動(dòng)組態(tài)軟件，設(shè)定U101控制20%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。液位和流量穩(wěn)定在

9、某個(gè)值。注意觀察液面，不能太低，否則不算穩(wěn)定。將得到的新穩(wěn)定曲線截圖。5、設(shè)定U101控制25%，記錄水位隨時(shí)間的數(shù)據(jù)，到新的穩(wěn)定點(diǎn)或接近穩(wěn)定。如果階越太大，可能導(dǎo)致溢出。6、截圖，將得到的新穩(wěn)定曲線截出。7、若想多次嘗試，可以修改JV16開度，重復(fù)4-6步。8、關(guān)閉系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)。2.2.3模型建立當(dāng)JV16的開度為50度左右時(shí)，將控制量設(shè)置為20%后，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，其結(jié)果圖如下：圖2.2 出水閥開到50度，控制量為20%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線將控制量由原來的20%增大到25%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖2.3 出水閥開到50度，控制量為25%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線由上訴兩圖可知，當(dāng)控制量由20%

10、增大到25%時(shí)，系統(tǒng)液位由原來穩(wěn)定在11%的高度變成了穩(wěn)定在24.5%的高度。 由階躍響應(yīng)法可知： ， 則，所以，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為2.2.4 結(jié)果分析1）分析結(jié)果的正確性，合理性該實(shí)驗(yàn)通過階躍響應(yīng)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，經(jīng)過驗(yàn)算，在誤差允許范圍內(nèi)，結(jié)果正確。關(guān)于結(jié)果的合理性，由于沒有考慮系統(tǒng)的純滯后效應(yīng)，得到的傳遞函數(shù)并不是實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)表現(xiàn)，但由于純延遲相對(duì)系統(tǒng)時(shí)間比較少，可以不考慮純延遲，因此所得結(jié)果能近似表示系統(tǒng)模型。2） 若干次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)JV16的開度為45度左右時(shí)，將控制量設(shè)置為20%后，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，其結(jié)果圖如下：圖2.4 出水閥開到45度，控制量為20%

11、時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線將控制量由原來的20%增大到25%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖2.5 出水閥開到45度，控制量為25%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線由該圖可知，當(dāng)控制量由20%增大到25%時(shí)，系統(tǒng)液位由原來穩(wěn)定在17.5%的高度變成了穩(wěn)定在35%的高度。 由階躍響應(yīng)法可知： ， 則，所以，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為對(duì)比分析：通過第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)閥開度增大會(huì)減小系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)和開環(huán)放大倍數(shù)，并通過多次實(shí)驗(yàn)分析，證明了該結(jié)論的正確性。3 Matlab仿真實(shí)驗(yàn)3.1利用Matlab建立系統(tǒng)模型3.1.1 作圖法單容水箱的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的系統(tǒng)，對(duì)第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的階躍響應(yīng)數(shù)

12、據(jù)進(jìn)行處理。作圖法原理見2.2.1所述。Matlab程序：A=11.13 11.13 11.49 12.64 13.15 13.68 14.57 15.03 15.45 16.25 16.58 16.95 17.60 17.90 18.20 18.74 18.98 19.24 19.69 19.90 20.10 20.45 20.63 21.00 21.16 21.34 21.63 21.77 21.89 22.12 22.27 22.35 22.58 22.66 22.76 22.90 23.00 23.11 23.27 23.34 23.38 23.51 23.55 23.62 23.69

13、 23.73 23.79 23.85 23.91 23.93 23.99 24.04 24.04 24.12 24.15 24.13 24.23 24.28 24.29 24.31 24.36 24.37 24.40 24.40 24.47 24.46 24.45 24.48 24.51 24.50; %液位數(shù)值B=0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 123 126 129 132

14、 135 138 141 144 147 150 153 156 159 162 165 168 171 174 177 180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 ; %時(shí)間數(shù)值duoshao=length(A);for n=3:1:(duoshao-2) if (A(n-2)+A(n)-2*A(n-1)*(A(n)+A(n+2)-2*A(n+1)<0) a=n; break; endend y_63_2=(max(A)-min(A)*632/1000+min(A);qian=min(find(A>y_63_2);hou=qian-1;T_63

15、_2=(B(qian)-B(hou)*(y_63_2-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou);C=1:0.1:T_63_2 ; k=(max(A)-A(a)/(T_63_2-B(a); b=(A(a)-k*B(a);y=min(A):0.1:max(A); C=(y-b)./k; y_max=max(A)+0.*B;y_shuzhi=min(A):0.1:max(A);x_shuzhi=T_63_2+0.*y_shuzhi;plot(C,y,'m',B,A,'b',B,y_max,'r:',x_shuzhi,y_shuzhi,

16、'r:'); t=(A(1)-b)/kT=T_63_2-tdertau=5;K=(max(A)-min(A)/dertau作圖法結(jié)果：圖3.1 作圖法結(jié)果可得單容水箱液位對(duì)象的增益K=2.68，時(shí)間常數(shù)T=48.6s，純延遲時(shí)間=4.69s。所以，由作圖法得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。3.1.2 計(jì)算法計(jì)算法原理：將歸一化：階躍響應(yīng)為取 ,得：化簡(jiǎn)得：若取y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63,由圖求出相應(yīng)的t1 和 t2，得：校驗(yàn)：取y*(t3)=0.55,y*(t4)=0.87,由圖求出相應(yīng)的t3和 t4，得：校驗(yàn)結(jié)果：如果校驗(yàn)結(jié)果相差較大，需要用更高階模型結(jié)構(gòu)。Matla

17、b程序：A=11.13 11.13 11.49 12.64 13.15 13.68 14.57 15.03 15.45 16.25 16.58 16.95 17.60 17.90 18.20 18.74 18.98 19.24 19.69 19.90 20.10 20.45 20.63 21.00 21.16 21.34 21.63 21.77 21.89 22.12 22.27 22.35 22.58 22.66 22.76 22.90 23.00 23.11 23.27 23.34 23.38 23.51 23.55 23.62 23.69 23.73 23.79 23.85 23.91

18、23.93 23.99 24.04 24.04 24.12 24.15 24.13 24.23 24.28 24.29 24.31 24.36 24.37 24.40 24.40 24.47 24.46 24.45 24.48 24.51 24.50; %液位數(shù)值B=0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 102 105 108 111 114 117 120 123 126 129 132 135 138 141 144 147 150

19、153 156 159 162 165 168 171 174 177 180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 ; %時(shí)間數(shù)值paixu,weizhi=sort(A);zuida=mean(paixu(size(A,2)-2):size(A,2); zuixiao=mean(paixu(1:2); t_39_1=(zuida-zuixiao)*39/100+zuixiao;t_63_1=(zuida-zuixiao)*63/100+zuixiao; qian=min(find(A>t_39_1); hou=qian-1;t_39=(B(qian)-

20、B(hou)*(t_39_1-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou); qian=min(find(A>t_63_1);hou=qian-1;t_63=(B(qian)-B(hou)*(t_63_1-A(hou)/(A(qian)-A(hou)+B(hou); T=2*(t_63-t_39)t=2*t_39-t_63x1_1=0:0.1:t_39; y1=t_39_1+0.*x1_1;x2_2=0:0.1:t_63;y2=t_63_1+0.*x2_2;y_1=min(A):0.1:t_39_1;x1=t_39+0.*y_1;y_2=min(A):0.1:t_63_1;

21、x2=t_63+0.*y_2;dertau=5;K=(max(A)-min(A)/dertauplot(B,A,'r',x1_1,y1,'m:',x1,y_1,'m:',x2_2,y2,'b:',x2,y_2,'b:');計(jì)算法結(jié)果：39%63% 圖3.2 計(jì)算法結(jié)果可得單容水箱液位對(duì)象的增益K=2.68，時(shí)間常數(shù)T=50.5s，純延遲時(shí)間=2.62s。所以，由計(jì)算法得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。3.1.3 Simulink仿真分別以作圖法結(jié)果和計(jì)算法結(jié)果作為近似系統(tǒng)，進(jìn)行Simulink仿真，仿真框圖以及參數(shù)設(shè)置如下：圖

22、3.3 仿真框圖圖3.4 作圖法響應(yīng)曲線圖3.5 計(jì)算法響應(yīng)曲線3.1.4 誤差分析原系統(tǒng)與近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線：圖3.6 原系統(tǒng)與作圖法近似系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖3.7 原系統(tǒng)與計(jì)算法近似系統(tǒng)的響應(yīng)曲線通過比較原系統(tǒng)與兩個(gè)近似系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)誤差較小，且作圖法得出的數(shù)學(xué)模型誤差比計(jì)算法更小，更接近原系統(tǒng)。誤差產(chǎn)生原因：1、得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)時(shí)，會(huì)有一些主觀因素的影響。比如作圖法，由于拐點(diǎn)和切線選取主觀隨意性較大，造成參數(shù)確定準(zhǔn)確性差。計(jì)算法建模時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散點(diǎn)選取的不同導(dǎo)致建立的對(duì)象模型不同。2、原系統(tǒng)對(duì)象只是近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后，而近似系統(tǒng)則按照

23、一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后進(jìn)行建模，因此必定存在誤差。3、由于傳感器的精度、液面的震蕩等擾動(dòng)存在，原系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)有所抖動(dòng)，使得系統(tǒng)建模精確度受到干擾。與S作圖法相比，計(jì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：S作圖法作圖結(jié)果受上升階段部分?jǐn)?shù)據(jù)影響較大，當(dāng)此階段干擾較大時(shí)，建模結(jié)果很不準(zhǔn)確；并且拐點(diǎn)的選取受主觀因素影響很大。相比于此，計(jì)算法建模選取數(shù)據(jù)點(diǎn)不是特別集中，多取幾組數(shù)據(jù)可減少誤差。缺點(diǎn)：相比于S作圖法，需要計(jì)算，較為復(fù)雜。建模結(jié)果易受個(gè)別離散點(diǎn)的影響。3.2利用Matlab對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定注：由于作圖法得出的數(shù)學(xué)模型誤差更小，因此以作圖法得出的傳遞函數(shù)為模型，來對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。3.2.1 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)

24、定邊界法的計(jì)算公式如下表所示：表3.1 穩(wěn)定邊界法計(jì)算調(diào)節(jié)規(guī)律KpKiKdP0.5KmPI0.455Km0.535Km/TmPID0.6Km1.2Km/Tm0.075Km*Tm其中Km表示使系統(tǒng)輸出出現(xiàn)臨界振蕩Kp值，Tm則表示臨界振蕩的周期。仿真框圖如下：圖3.8 穩(wěn)定邊界法仿真框圖Ki=Kd=0，從小到大改變比例項(xiàng)Kp，直到系統(tǒng)輸出出現(xiàn)臨界振蕩如下：圖3.9 臨界振蕩此時(shí)臨界振蕩周期Tm=18s，比例系數(shù)Km=7.6。利用穩(wěn)定邊界法計(jì)算采用P、PI、PID調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的控制器參數(shù)，得表3.2 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律KpKiKdP3.80PI3.460.226PID4.560.50710.26整定

25、后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如下：圖3.10 采用P調(diào)節(jié)規(guī)律圖3.11 采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律圖3.12 采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律3.2.2 Signal Constraint模塊參數(shù)自整定注：本人所使用的Matlab版本為Matlab2014a，由于Matlab版本問題，Simulink中已無Signal Contraint模塊，轉(zhuǎn)而分成了三個(gè)模塊。我們選擇其中Check Step Response Characteristics模塊代替Signal Contraint模塊，對(duì)系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)的控制器進(jìn)行參數(shù)自整定，整定原理框圖如下：圖3.13 單容水箱Simulink參數(shù)自整定框圖添加變量，輸入K

26、p=1，Ki=1，Kd=1；設(shè)置范圍，三個(gè)參數(shù)最小值都是0，Ki，Kd最大值為9999。圖3.14 變量設(shè)置設(shè)置尋優(yōu)參數(shù)：搜索方式為遺傳算法，最大迭代1000次，勾選尋找最優(yōu)解決。圖3.15 尋優(yōu)參數(shù)設(shè)置設(shè)置目標(biāo)：設(shè)置期望的階躍響應(yīng)。圖3.16 設(shè)置目標(biāo)運(yùn)行尋優(yōu)，結(jié)果為：圖3.17 尋優(yōu)結(jié)果整定后Kd=8.65、Ki=0.02、Kp3.55。繪制整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，如圖：圖3.18 整定后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線根據(jù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)用Simulink對(duì)系統(tǒng)PID控制器參數(shù)自整定時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量約為0，過渡時(shí)間約為25s。3.2.3 比較分析穩(wěn)定邊界法：(1) 優(yōu)點(diǎn)：整定

27、方法簡(jiǎn)單，易于操作，不需要獲得精確的對(duì)象模型。(2) 缺點(diǎn)：此方法在整定過程中必定出現(xiàn)等幅振蕩，從而限制了此法的使用場(chǎng)合。對(duì)于某些時(shí)間常數(shù)較大的單容量對(duì)象，如液位對(duì)象或壓力對(duì)象，在純比例作用下是不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的，因此不能獲得臨界振蕩的數(shù)據(jù)，從而也無法使用該方法。(若單容水箱系統(tǒng)用一階慣性環(huán)節(jié)近似，則加入純比例控制器后不可能出現(xiàn)等幅振蕩，不能用此方法整定PID參數(shù)。)使用該方法時(shí)，控制系統(tǒng)必需工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極限環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參數(shù)利用Simulink對(duì)系統(tǒng)PID控制器參數(shù)自整定：(1) 優(yōu)點(diǎn)：借助于Simulink軟件，整定方法簡(jiǎn)單，易于操作。(2)

28、 缺點(diǎn)：此方法需要得到較為精確的對(duì)象模型，當(dāng)對(duì)象模型比較復(fù)雜難以確定時(shí)，不能用此方法。由于軟件算法和性能需求，得到的整定結(jié)果可能不是主觀上最理想的。影響穩(wěn)定邊界方法精度的因素：主觀找到臨界震蕩而獲取臨界振蕩周期和臨界；系統(tǒng)本身的特性，有些系統(tǒng)無法出現(xiàn)臨界震蕩的情況。4單容水箱PID控制4.1實(shí)驗(yàn)原理單容水箱為自衡系統(tǒng)，進(jìn)水流量一定，隨著液位升高出水流量加大，當(dāng)進(jìn)水流量與出水流量相等時(shí)液位穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)控制進(jìn)水流速，可以改善系統(tǒng)響應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)。采用PID控制算法的單容水箱控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示：PID控制器單容水箱控制對(duì)象液位傳感器給定液位+給定液位圖4.1單容水箱液位控制系

29、統(tǒng)圖4.2實(shí)驗(yàn)步驟1、在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)上，打開手閥JV22（即進(jìn)水閥），調(diào)節(jié)JV26（即出水閥）開度到45%，其余閥門關(guān)閉。2、在控制系統(tǒng)上，將IO面板的水箱液位輸出連接到AI0，IO面板的電動(dòng)調(diào)速器U102控制端連到AO1。注意：具體哪個(gè)通道連接指定的傳感器和執(zhí)行器依賴于控制器編程。對(duì)于全連好線的系統(tǒng)，例如DCS，則必須按照已經(jīng)接線的通道來編程。3、打開設(shè)備電源。4、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。啟動(dòng)調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。啟動(dòng)右邊水泵P102和調(diào)速器。5、系統(tǒng)穩(wěn)定后可將調(diào)節(jié)器的手動(dòng)控制切換到自動(dòng)控制。6、設(shè)置比例參數(shù)。觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實(shí)

30、驗(yàn)。7、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)，也可以通過支路1增加干擾，或者臨時(shí)改變一下出口閘板的高度)。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。8、減小P重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9、增大P重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。10、選擇合適的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。于是在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時(shí)的超調(diào)量p。13、固定I于某一中間值，

31、然后改變P的大小，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量p。14、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。15、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面調(diào)節(jié)時(shí)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線。16、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。4.3結(jié)果分析水箱液位控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如以下各圖所示：圖4.2 P=5,I=10000,D=0時(shí)的階躍響應(yīng)及階躍擾動(dòng)曲線圖4.3 P=30,I=10000,D=0時(shí)的階躍響應(yīng)及階躍擾

32、動(dòng)曲線圖4.4 P=50,I=10000,D=0時(shí)的階躍響應(yīng)及階躍擾動(dòng)曲線,圖4.5 P=30,I=100(I=10),D=0時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖4.6 P=30,I=0.5,D=0時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖4.7 P=30,I=2,D=0時(shí)的階躍響應(yīng)及階躍擾動(dòng)曲線圖4.8 P=30,I=0.5,D=0.01時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖4.9 P=30,I=0.5,D=1時(shí)的階躍響應(yīng)曲線圖4.10 P=30,I=0.5,D=5時(shí)的階躍響應(yīng)曲線1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。對(duì)比圖4.2，圖4.3，圖4.4和圖4.6可知，系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下，當(dāng)比例系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也較大，

33、這是因?yàn)楸壤禂?shù)會(huì)加大幅值；當(dāng)積分系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差會(huì)減小，但是系統(tǒng)的振蕩加劇，會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)；在加入微分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差明顯減小，但是調(diào)節(jié)時(shí)間卻延長(zhǎng)，這是因?yàn)槲⒎志哂谐白饔?，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。2） 比較不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。比例系數(shù)P：起放大誤差的幅值，快速抵消干擾的影響，是系統(tǒng)的上升時(shí)間降低，如果只有比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分時(shí)間常數(shù)Ti：積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分項(xiàng)對(duì)誤差的調(diào)節(jié)取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨時(shí)間的增加而增大，它推動(dòng)控制器的輸出增大是穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于0，但由于

34、積分項(xiàng)的存在會(huì)使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增大，系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩加劇。微分時(shí)間常數(shù)Td：微分項(xiàng)可以預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，這樣就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以雖有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，微分項(xiàng)能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。3） 整理P、PI、PID三種控制器下本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并比較、分析從P、PI、PID控制器對(duì)系統(tǒng)余差和動(dòng)態(tài)性能的影響。P控制器：如圖4.2，4.3和4.4所示，P控制器可以放大誤差的幅值，快速抵消干擾，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間，但是系統(tǒng)可能會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)。PI控制器：如圖4.5，4.6和4.7所示，

35、PI調(diào)節(jié)器可以是系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差，但是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)增大，響應(yīng)過程的振蕩會(huì)加劇。PID控制器：如圖4.8,4.9和4.10所示，PID調(diào)節(jié)器除了有PI調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)之外，加入了微分項(xiàng)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，減弱了響應(yīng)過程的振蕩，有效的抑制了過大的超調(diào)量。5創(chuàng)新項(xiàng)目5.1創(chuàng)新項(xiàng)目介紹5.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是在紙張的張力控制設(shè)備設(shè)備平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)：一臺(tái)電機(jī)以固定速率轉(zhuǎn)動(dòng)，另一臺(tái)電機(jī)跟隨，并保持紙張收卷過程中張力恒定。設(shè)計(jì)必須滿足生產(chǎn)設(shè)備和工藝的要求，設(shè)計(jì)之前必須了解設(shè)備的用途、結(jié)構(gòu)、參數(shù)和操作要求，培養(yǎng)整體設(shè)計(jì)的觀念。實(shí)驗(yàn)的目的是通過對(duì)常見的生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解一般控制系

36、統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、要求和設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)踐能夠鞏固所學(xué)知識(shí)，達(dá)到靈活運(yùn)用的目的。5.1.2實(shí)驗(yàn)步驟1、在計(jì)算機(jī)上配置和電機(jī)的通信屬性包括波特率，端口號(hào)等。2、打開設(shè)備電源，將編寫好的程序下載到設(shè)備上。3、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。在界面的左下方選中取消聯(lián)控控制，即進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)模式。4、先設(shè)置比例參數(shù)，修改比例參數(shù)后，點(diǎn)擊張力自動(dòng)控制，再點(diǎn)擊正向啟動(dòng)或反向啟動(dòng)，觀察設(shè)備上紙張的運(yùn)動(dòng)情況以及實(shí)時(shí)曲線。5、待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾實(shí)驗(yàn)。6、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)(在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，通過手動(dòng)改變其中一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小)，記錄曲線波動(dòng)并穩(wěn)定后的結(jié)果。7、選擇合適

37、的P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。于是在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不是特別大的數(shù)。固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線。8、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。9、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后觀察系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線。10、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。5.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中所得結(jié)果如以下各圖所示（張力設(shè)定值均為100，初始狀態(tài)各不相同）：圖5.1 p=0.14時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.2

38、 p=0.17時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.3 p=0.14時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖5.4 p=0.14時(shí)系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)曲線(正向擾動(dòng):3HZ+ 負(fù)向擾動(dòng):3HZ 調(diào)節(jié)時(shí)間:8min)圖5.5 電機(jī)堵轉(zhuǎn)后調(diào)節(jié)參數(shù)后的再度恢復(fù)曲線(堵轉(zhuǎn)后的調(diào)節(jié)參數(shù) P=0.04 I=500 D=0)1）對(duì)比圖5.1和圖5.3可知，在相同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)下，設(shè)備在不同的初始狀態(tài)（其中圖5.1是在設(shè)備兩邊的紙卷半徑差不多時(shí)測(cè)得的，圖2.3是在1號(hào)電機(jī)的紙卷半徑小于2號(hào)電機(jī)的紙卷，1號(hào)電機(jī)的紙卷半徑近似等于轉(zhuǎn)軸的半徑時(shí)測(cè)得的），系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的狀態(tài)是不同的。2）圖5.2為只有比例調(diào)節(jié)且P=0.17時(shí)，系統(tǒng)的階躍曲線近似為等

39、幅振蕩。3）圖5.4是系統(tǒng)在穩(wěn)定后加入階躍擾動(dòng)后，首先加了正向擾動(dòng)3HZ ，后加了又負(fù)向擾動(dòng)3HZ，系統(tǒng)在擾動(dòng)之后又回到了穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間為8分鐘。4）圖5.5是當(dāng)加入正向擾動(dòng)5HZ時(shí)，系統(tǒng)不能回到穩(wěn)態(tài)，最終系統(tǒng)發(fā)散導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)了。這時(shí)重新設(shè)置調(diào)節(jié)的參數(shù)值(P=0.04，I=500，D=0)，稍微松動(dòng)紙卷，經(jīng)過一段時(shí)間系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。5.1.4結(jié)論1）系統(tǒng)在相同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，在不同的設(shè)備初始狀態(tài)下，其階躍響應(yīng)曲線曲線不完全相同。當(dāng)兩個(gè)紙卷半徑相差不多時(shí)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)兩個(gè)紙卷半徑相差較大時(shí)，響應(yīng)過程的振蕩加劇，最終系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定地發(fā)散。2）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)對(duì)在一定范圍內(nèi)的階躍擾動(dòng)有調(diào)節(jié)作用，超出一定范圍后，系統(tǒng)會(huì)變的不穩(wěn)定，最終的響應(yīng)會(huì)發(fā)散。3）當(dāng)系統(tǒng)的張力值達(dá)到報(bào)警值后，電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)可參考張力差和兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將PID參數(shù)調(diào)節(jié)至合適的大小，稍微松動(dòng)紙卷，系統(tǒng)就可以響應(yīng)至穩(wěn)態(tài)。4）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更適合PID變參數(shù)