北科大自动化生产实训 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：41151049

指导教师：崔家瑞

日期：2014 年5 月9 日

目录

目录 (i)

1系统概述 (1)

1.1实验对象 (1)

1.2上位机软件 (1)

1.3下位机 (1)

1.4实验任务与目的 (1)

1.5分组情况 (2)

2单容水箱建模 (3)

2.1建模方法概述 (3)

2.1.1 机理建模 (3)

2.1.2 实验方法建模 (3)

2.1.3 对象模型的影响因素分析 (3)

2.2阶跃响应法建模 (4)

2.2.1 理论基础 (4)

2.2.2 实验步骤 (5)

2.2.3模型建立 (6)

2.2.4 结果分析 (6)

3.1单容水箱实验建模及相关 (8)

3.1.1 利用MATLAB根据作图法建立一阶系统数学模型 (8)

3.1.2 利用MATLAB根据计算法建立一阶系统数学模型 (9)

3.2 PID参数整定 (10)

4单容水箱PID控制 (20)

4.1液位控制 (20)

4.1.1实验原理 (20)

4.1.2实验步骤 (21)

4.1.3结果分析 (22)

4.2流量控制（选做） (26)

4.2.1实验原理 (26)

4.2.2实验步骤 (28)

4.2.3结果分析 (30)

4.3压力控制（选做） (30)

4.3.1实验原理 (30)

4.3.2实验步骤 (31)

5实训总结 (33)

5.1 目标，过程，结果等分析 (33)

5.2对实训的收获，要求和建议 (33)

1系统概述

1.1实验对象

本系统的控制系统和对象是一体的，连通手阀采用金属球阀（长80mm）

A1000小型过程控制实验系统工艺流程图

图1 A1000小型多参数过程控制系统流程图该系统提供了两路动力支流，既可以满足两个同学同时进行压力、流量和液位实验，还可以一路用于提供水流，一路用于提供干扰。JV13和JV23提供泄漏干扰。

1.2上位机软件

上位机组态软件为组态王

1.3下位机

西门子S7-200PLC。S7-200是最低端系列，适用于小型，对控制要求高的场合。

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、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其参数。

4、熟悉利用MATLAB建立系统数学模型的方法。

5、学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。

6、熟悉并学会稳定边界法。

7、熟悉并学会PID参数的自整定法。

8、较为深刻理解液位PID单回路控制的原理，并掌握PID相关参数的设定方法。

1.5分组情况

何家伟，朱宏伟，孙逢时

2单容水箱建模

2.1建模方法概述

2.1.1 机理建模

根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，建立过程数学模型。

2.1.2 实验方法建模

建立输入输出模型，根据输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。

2.1.3 对象模型的影响因素分析

1、控制通道增益的影响

随着过程增益Ko的增加，余差减小，最大偏差减小，控制作用增强，但稳定性变差。在其它因素相同条件下，如果过程增益Ko越大，则控制作用就越大，克服扰动的能力也越强。

2、扰动通道增益的影响

在其它因素相同条件下，Kf越大，余差越大，最大偏差越大。

3、控制通道时间常数的影响

在时滞τo与时间常数To之比不变条件下进行讨论。

若τo/To固定，时间常数To大，则为使稳定性不变，ω应减小，因此，时间常数大时，为保证系统的稳定性，振荡频率减小，回复时间变长，动态响应变慢。反之，若τo/To固定，时间常数To小，则振荡频率增大，回复时间变短，动态响应变快。换言之，时间常数越大，过渡过程越慢。

4、扰动通道时间常数的影响

扰动通道时间常数Tf大，扰动对系统输出的影响缓慢，有利于通过控制作用克服扰动的影响。

5、扰动进入系统位置的影响

进入系统的扰动位置远离被控变量，等效于扰动传递函数中的时间常数增大，因此，与扰动通道时间常数的影响相似。

2.2阶跃响应法建模 2.2.1 理论基础

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()1

s c K

G s e T s τ-=+，式中，K 为对象放大系数，c T 为对象时间常数，τ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()1

c K

G s T s =

+。 为确定本次实验的单容水箱的动态数学模型，就需要确定该模型中的系统时间参数c T 和增益K ，这就涉及到过程辨识和参数估计的问题。

在由俞金寿、孙自强主编的过程控制系统一书中详细介绍了两种过程辨识与参数估计的方法，即阶跃响应法和脉冲响应法。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0K 、τ和0T 的图解法