自控實踐報告

福州大學至誠學院自動控制系統(tǒng)認識實踐》題目： 自動控制系統(tǒng)認識實踐 姓名： 學號： 系 另lj: 電氣工程系專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 2009 起訖日期： 2012年1月9日?1月13日指導教師： 目錄TOC\o"1-5"\h\z1、 自動控制系統(tǒng)認識實踐任務書 2\o"CurrentDocument"2、 認識實踐目的和目標 3\o"CurrentDocument"3、 實踐內(nèi)容 3\o"CurrentDocument"4、 實踐總結(jié) 14\o"CurrentDocument"5、 實踐心得體會 15\o"CurrentDocument"6、 參考文獻 15自動控制系統(tǒng)認識實踐任務書一．實驗課程簡介《自動控制系統(tǒng)認識實踐》是電氣工程與自動化類專業(yè)的一門重要的專業(yè)實踐選修課，是計算機控制、電氣控制與PLC、過程控制、組態(tài)軟件、計算機控制、數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡等多學科的交叉綜合應用實踐，著重養(yǎng)學生的實踐和綜合應用能力，開拓學生學習積極性、主動性，為今后從事自動化系統(tǒng)打下良好的基礎。二．實驗課程目標與基本要求1）通過學習，讓學生自己動手實踐，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)嚴格規(guī)范的訓練，使學生掌握自動控制系統(tǒng)的基本方法和基本技能。2）通過學習，培養(yǎng)學生提出問題，查閱資料，設計方案，動手實踐，觀察現(xiàn)象，分析結(jié)果的能力，達到學生解決基本系統(tǒng)設計問題的學習目標。三．實踐方法該課程實踐以演示和驗證為主。學習自動控制系統(tǒng)的調(diào)試和分析。四、實踐內(nèi)容1、觀看自動化流水線影像資料;2、 熟悉Me093399型機電一體化教學系統(tǒng)；Me093399型機電一體化教學系統(tǒng)是以工業(yè)生產(chǎn)中的自動化裝配生產(chǎn)線為原型開發(fā)的教學、實驗、實訓綜合應用平臺。本裝置采用鋁合金結(jié)構(gòu)件搭建各分站主體設備，選取多種機械傳動方式實現(xiàn)站間串聯(lián)，整體生產(chǎn)線充分展現(xiàn)了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的典型部分。系統(tǒng)控制過程中除涵蓋多種基本控制方法外，還凸現(xiàn)組態(tài)控制、工業(yè)總線、電腦視覺、實時監(jiān)控等先進技術(shù)，為培養(yǎng)現(xiàn)代化應用型人才創(chuàng)設了完整、靈活、模塊化、易擴展的理想工業(yè)場景。完成本實訓項目涉及到現(xiàn)場所需的諸多綜合技術(shù)應用，如：機械傳動技術(shù)、電氣控制技術(shù)、氣動與液壓技術(shù)、傳感器的應用、PLC控制技術(shù)、過程控制技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)中的組態(tài)控制、工業(yè)總線、電腦視覺、實時監(jiān)控等。在項目設計時應由易到難，逐步深入，可從單站開展入手，到現(xiàn)場總線控制和對整個模擬生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。3、 工業(yè)全數(shù)字交流（直流）調(diào)速系統(tǒng)實踐：包括PLC、觸摸屏與6SE70構(gòu)成的控制系統(tǒng)實驗；組態(tài)軟件WinCC組態(tài)實驗；S7-300與6SE70交流變頻裝置實驗。4、 基于西門子PLC的過程控制系統(tǒng)實踐。以上實踐的詳細內(nèi)容參考實驗大綱和相關(guān)實驗說明書。1、認識實踐目的和目標《自動控制系統(tǒng)認識實踐》是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)實踐選修課，著重養(yǎng)學生的實踐和綜合應用能力，開拓學生學習積極性、主動性，為今后從事自動化控制系統(tǒng)打下良好的基礎。實驗課程目標與基本要求1）通過學習，讓學生自己動手實踐，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)嚴格規(guī)范的訓練，使學生掌握自動控制系統(tǒng)的基本方法和基本技能。2）通過學習，培養(yǎng)學生提出問題，查閱資料，設計方案，動手實踐，觀察現(xiàn)象，分析結(jié)果的能力，達到學生解決基本系統(tǒng)設計問題的學習目標。2、實踐內(nèi)容1、自動化學科概論老師介紹了自動化學科概論。 自動化是一門涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術(shù)。作為一個系統(tǒng)工程，它由 5個單元組成：①程序單元。決定做什么和如何做。②作用單元。施加能量和定位。③傳感單元。檢測過程的性能和狀態(tài)。④制定單元。對傳感單元送來的信息進行比較，制定和發(fā)出指令信號。⑤控制單元。進行制定并調(diào)節(jié)作用單元的機構(gòu)。自動化的研究內(nèi)容主要有自動控制和信息處理兩個方面，包括理論、方法、硬件和軟件等，從應用觀點來看，研究內(nèi)容有過程自動化、機械制造自動化、管理自動化、實驗室自動化和家庭自動化等。從自動化科學與技術(shù)學科的層面來審視、介紹了本科自動化專業(yè)所要學習的內(nèi)容。通過這里的介紹，使我們較深入地理解：（1）自動化的內(nèi)涵、外延與定位；（2）自動化科學與技術(shù)的基本原理與核心概念；（3）自動化學科的知識體系、知識元及其相互關(guān)系；（4）自動化專業(yè)的課程體系、主要課程及其相互關(guān)系；（5）自動化科學技術(shù)、自動化專業(yè)與相關(guān)科學技術(shù)、相關(guān)專業(yè)之間的聯(lián)系與區(qū)別，并對現(xiàn)代自動化科學與技術(shù)的發(fā)展有一個大概的了解2.數(shù)字化PID控制系統(tǒng)1.老師還介紹了PID的相關(guān)知識。PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。圖1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理圖。圖1其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設定值r(t)與被調(diào)量實測值y(t)構(gòu)成的控制偏差信號e(t):TOC\o"1-5"\h\ze(t)=r(t)-y(t) (1)其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：u(t)二K[e(t)+丄fZ(t)dt+T ] (2)PT0 DdtI式中，K為比例系數(shù)；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常數(shù)。PDD根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論PID控制的特點及其對控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實現(xiàn)和改進，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設計和控制參數(shù)的整定等問題。數(shù)字PID控制算法在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖1所示的PID控制，其對應的傳遞函數(shù)表達式為U(s)二K(1+丄+Ts) ⑺E(s) pTsdi對應的控制算法表達式為

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"u(t)=K[e(t)+丄Jte(t)dt+T■de(t)] (8)PT0 ddti式中，K為比例增益；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常數(shù)；u(t)為P i d控制量；e(t)為被控量與設定值y(t)的偏差。為了便于計算機實現(xiàn)PID算法，必須將式(3)改寫為離散(采樣)式，這可Jte(Jte(t)dt0u迓Te(j)j=0(9)(10)de(t) e(k)一e(k-1)TOC\o"1-5"\h\zdt T式中，T為采樣周期；k為采樣周期的序號(k=0,1,2...)；e(k)和e(k-1)分別為第和第k個采樣周期的偏差。將式(9)和式(10)代入式(8)可得相應的差分方程，即\o"CurrentDocument"u(k)=K{e(k)+—丈e(j)+-d[e(k)-e(k-1)][ (11)I ij=0 丿式中，u(k)為第k個采樣時刻的控制量。如果采樣周期T與被控對象時間常數(shù)比較相對較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)理想的微分de(t)/dt，而利用計算機可以實現(xiàn)式(10)所表示的差分運算，故將式(11)稱為理想微分數(shù)字PID控制器?；镜臄?shù)字PID控制器一般具有以下兩種形式的算法。

圖2位置型算法流程圖（1）位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量u都對應于執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式（11）可知，數(shù)字控制器的輸出控制量u（k）也和閥門位置相對應，故稱為位置型算式（簡稱位置式）。相應的算法流程圖如圖2所示。由圖2可以看出，因為積分作用是對一段時間內(nèi)偏差信號的累加，因此，利用計算機實現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進式——增量型算法來實現(xiàn)。（2）增量型算法根據(jù)式（11）不難得到第（k-1）個采樣周期的控制量，即

rri rriTOC\o"1-5"\h\zu(k-1)二K*(k-1)+—1e(j)+r[e(k-1)-e(k-2)]} (12)I ij=o 丿將式(11)與式(12)相減，可以得到第k個采樣時刻控制量的增量，即Au(k-1)=K」e(k)-e(k-1)+—e(k)+—[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]j (拐)i=K[e(k)-e(k-1)]+Ke(k)+K[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]P i d式中，K為比例增益；K為積分系數(shù)，K=KT/T；K為微分系數(shù)，p i i pi dK=KT/T。dpd由于式(13)中對應于第k個采樣時刻閥門位置的增量，故稱式(13)為增量型算式。由此，第k個采樣時刻實際控制量為TOC\o"1-5"\h\zu(k)=u(k-1)+Au(k) (14)為了編寫程序方便，將式(13)改寫為Au(k)=qe(k)+qe(k-1)+qe(k-2) (15)o1 2式中，qo廠 — —式中，qo廠 — —'1+—+-dI T T丿i；q=-K 1+1 p\Tq=Kd。1pT由此可見，要利用Au(k)和u(k—1)得到u(k)，只需要用到e(k—1),e(k—2)和u(k-1)三個歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，這三個歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲單元少，編程簡單，運算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖3所示。增量型算法僅僅是在算法設計上的改進，其輸出是相對于上次控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)字PID控制器的輸出控制量通常都是通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的，在D/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號(4~20mA的電流信號或0~5V的電壓信號),然后通過放大驅(qū)動裝置作用于執(zhí)行機構(gòu)，信號作用的時間連續(xù)到下一個控制量到來之前。因此，D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。

圖3增量型算法流程圖3?PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用OPID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)3、觀看自動化流水線影像資料;我們觀看了大眾汽車的自動化流水線影像、機械手機器人的工作等。在所看的影像里它們的運行過程幾乎沒看到人的參與，都是自動化的。機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程，其目標是“穩(wěn)，準，快”。自動化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家庭等方面。采用自動化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標志。4、參觀福州大學工業(yè)自動化網(wǎng)絡實驗室、自動控制系統(tǒng)設備福州大學工業(yè)自動化網(wǎng)絡實驗室，以西門子自動化設備為基礎，基本包含了西門子全集成(TIA)自動化，其中上位機采用的是SIEMENSWinCC組態(tài)軟件，實現(xiàn)人與機的信息交互，通過組態(tài)，可在畫面上輕松的實現(xiàn)對設備的監(jiān)控。1、 Me093399型機電一體化教學系統(tǒng)；Me093399型機電一體化教學系統(tǒng)是以工業(yè)生產(chǎn)中的自動化裝配生產(chǎn)線為原型開發(fā)的教學、實驗、實訓綜合應用平臺。本裝置采用鋁合金結(jié)構(gòu)件搭建各分站主體設備，選取多種機械傳動方式實現(xiàn)站間串聯(lián)，整體生產(chǎn)線充分展現(xiàn)了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的典型部分。系統(tǒng)控制過程中除涵蓋多種基本控制方法外，還凸現(xiàn)組態(tài)控制、工業(yè)總線、電腦視覺、實時監(jiān)控等先進技術(shù)，為培養(yǎng)現(xiàn)代化應用型人才創(chuàng)設了完整、靈活、模塊化、易擴展的理想工業(yè)場景。我們觀看了看到的是一個由模仿三個工廠生產(chǎn)程序PLC控制的一個實驗室其大概流程為：首先是上料出料過程，plc控制各個傳感器檢測和判斷是否符合條件，如光電傳感器判斷是否有材料進入，后通過一些復雜的機械或者位置控制，出料，然后傳送，后面檢測位置開關(guān)作用，機械臂作用，為一個盒子蓋上蓋子，繼續(xù)通過電軸傳動，然后通過氣壓擠壓的方式彈入棍棒，后面通過攝像機掃描與標準器件進行判斷，看加工的物體是否是合格的，然后通過再機械臂轉(zhuǎn)動帶動物體，進入包裝環(huán)節(jié)，后面根據(jù)物體是否是合格品，進行分類，入倉庫。通過在龍洲教學模擬流水線上嵌入一套RFID無線射頻系統(tǒng)RF300系列，專用于生產(chǎn)線物流跟蹤，產(chǎn)品資料保存，產(chǎn)品追蹤等，通過提供的案例與程序及實驗指導，能讓使用者感受到實際工廠生產(chǎn)線的控制方法，感受RFID系統(tǒng)在實際生產(chǎn)線的控制與應用方法。完成本實訓項目涉及到現(xiàn)場所需的諸多綜合技術(shù)應用，如：機械傳動技術(shù)、電氣控制技術(shù)、氣動與液壓技術(shù)、傳感器的應用、PLC控制技術(shù)、過程控制技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)中的組態(tài)控制、工業(yè)總線、電腦視覺、實時監(jiān)控等。在項目設計時應由易到難，逐步深入，可從單站開展入手，到現(xiàn)場總線控制和對整個模擬生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。2、工業(yè)全數(shù)字交流(直流)調(diào)速系統(tǒng)：其包括PLC、觸摸屏與6SE70構(gòu)成的控制系統(tǒng)實驗；組態(tài)軟件WinCC組態(tài)實驗；S7-300與6SE70交流變頻裝置實驗。我們看到的PLC采用的是西門子現(xiàn)階段最常用的PLC，小型機S7200，中型機S7300，大型機S7400，并且?guī)в蟹植际絀/OET200S，采用的總線為PROFIBUS-DP及西門子開發(fā)基于以太網(wǎng)的總線PROFINET,可實現(xiàn)實時及等時通信，S7300與400均集成了分布式I/O控制器接口DP與ProFiNET，另外S7200/300/400均配置了以太網(wǎng)模塊，用于組建以太網(wǎng)網(wǎng)絡，用于連接編程電腦進行程序上下載及與WinCC通信，并且均配置了西門子X208交換機，支持PROFINET，本身便可以作為一個節(jié)點并可設置一個IP地址。而觸摸屏采用TP177BPN/DP彩色系列，通過安裝本次提供的軟件WinCCflexible可以輕松簡單的進行畫面組態(tài),操作簡單靈活。驅(qū)動采用通用型變頻器MicroMaster系列及交直流調(diào)速系列MasterDriver，通過配置DP通信板直接與PLC連接，作為DP的一個從站節(jié)點，實現(xiàn)使用通信來控制，而無需接線。3、基于西門子PLC的過程控制系統(tǒng)。本次參觀據(jù)指導老師介紹：是根據(jù)現(xiàn)有的控制設備與受控設備，并且以自動化網(wǎng)絡為主題，將每個實驗室中的各臺PLC進行互聯(lián)，而又對各實驗室間進行互聯(lián)，實現(xiàn)所有實驗室的PLC全部在同一個主網(wǎng)絡上,通過以太網(wǎng)進行連接，主交換機位于過程控制實驗室內(nèi)(北313)而各個PLC間又各自帶有子網(wǎng)絡，如PROFIBUS網(wǎng)，PROFINET等子網(wǎng)。在主網(wǎng)上各PLC的IP地址均是唯一，不可重復，全部由各個PLC的以太網(wǎng)擴展模塊(S7400使用PN接口)進行通信，而在各PLC的子網(wǎng)上，無論是PROFINET或者PROFIBUS均可以相互獨立組網(wǎng)，互不相干，如果各個節(jié)點的PLC所帶的子網(wǎng)設備是相同的話，那么這兩個PLC的子網(wǎng)地址以及硬件組態(tài)可以一樣，因為它們不會相互沖突，子網(wǎng)這間沒有物理連接，例如過程實驗室中的所有300PLC的子網(wǎng)地址組態(tài)為相同。三間實驗室在主網(wǎng)上的PLC共有8臺，其中S7300*7臺，S7400*1臺，而S7200均分布在各個主節(jié)點PLC的子網(wǎng)下5、連續(xù)性系統(tǒng)的設計設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(S)=K/s(0.1s+1)(0.01s+1)。設計一串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)特性滿足如下指標：

(1)靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv>=250/s;截止頻率Wc±30rad/s；相角裕度Y>=45。。設計：由給定的條件(1)，取K=250系統(tǒng)校正前的對數(shù)幅頻漸進特性如下：截止頻率為：Wc=50(pg)=-90°-arrtan化/10—arctan理/100=-90°-78.7"-266°=-1.953°^)=p(^)+180°=-153°系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要加串聯(lián)校正裝置。設校正后系統(tǒng)的截止頻率為：Wc=50,校正后系統(tǒng)希望的對數(shù)幅頻漸進曲線如下:校正后的系統(tǒng)函數(shù)為：

250點/型+1)

s(s/ct){+1)(^7100+1)(用/馬+1)選取W2=5250*(o來5則A(a)c)= 空—=L經(jīng)計算得?=1/25(oc(oc!a)x所以校正后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：250呼-丨)5(255+1)($/100+1疝/叫-1)這時繆(億^)=「90°十a(chǎn)irtancdc!5-arctan25ct)c-airtan0.01(7>￡.-arctancoc/?=-90°+84.3°-89.9°-26.6°-ai'ctan =-135°經(jīng)計算得到W3=217G(QG「(G(QG「(t)G(s)($/5+l)($/10+l)(25$十1)($/217十1)利用simulink仿真未校正的其仿真方框圖為其輸出圖像，為不穩(wěn)定情況：輸出經(jīng)調(diào)整器穩(wěn)定輸出，其仿真框圖：其輸出