自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)報(bào)告

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：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：日期：年月日北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告機(jī)理分析是根據(jù)對現(xiàn)實(shí)對象特性的認(rèn)識，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)能量的增加等于加入系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對外所做的功)、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，便于對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。但對于某些對象，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。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。并且某些對象在運(yùn)行過程中其動(dòng)態(tài)特性隨著工況的改變而改變。實(shí)驗(yàn)方法建模不需要了解對象的工作機(jī)理，依據(jù)輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過過程辨識和參數(shù)估計(jì)的方法建立模型。對象特性的實(shí)驗(yàn)測取法，就是在所要研究的對象上，加上一個(gè)人為地輸入作用(輸入量)，然后，用儀表測取并記錄表征對象特性的物理量(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象的特性。常用的實(shí)驗(yàn)性能測試方法有階躍響應(yīng)曲線法。單容水箱的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為，式中，為對象放大系數(shù)，為對象時(shí)間常數(shù)，為對象純滯后。需要參數(shù)辨識：、、。方法有兩種：作圖法和計(jì)算法。一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲的系統(tǒng)曲線在t=0處斜率為0，隨后斜率增大，到達(dá)拐點(diǎn)D后斜率減小，曲線為S形?？山茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)加純延遲系統(tǒng)。如圖所示。圖4一階慣性加純延遲系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線式中：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作圖法：通過拐點(diǎn)D作切線，交時(shí)間軸于B,交穩(wěn)定線于A，A時(shí)間為OC。=BC，=OB。計(jì)算法將歸一化：階躍響應(yīng)為取,得：化簡得： 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)。1）取兩次閥位模型2）每次閥位，取兩次階躍響應(yīng)建模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重要步驟需要截圖。根據(jù)過程控制知識可以知道，一般單容水箱的模型為一階系統(tǒng)加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，等待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，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6閥門開度45度時(shí)控制量由20%增大到25%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線由該圖6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38%的高度變成了穩(wěn)定在64%的高度。由前面的理論推導(dǎo)可以知道：K=T為液位上升到平衡液位的63.2%的時(shí)間，即y上升到38%+(64%-38%)*63.2%=54.432%所花的時(shí)間從上圖可以看出T=65s從圖像可以知道，系統(tǒng)的延遲比較小，如果忽略系統(tǒng)的延遲，則有系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:G當(dāng)JV16的開度為55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，將控制量由原來的0%增大到20%，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果如下圖：圖7閥門開度55度時(shí)控制量由0%增大到20%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線由該圖7可知，當(dāng)控制量由0%增大到20%時(shí)，系統(tǒng)液位由原來穩(wěn)定在0%的高度變成了穩(wěn)定在36%的高度。由階躍響應(yīng)法可知：K=T為液位上升到平衡液位的63.2%的時(shí)間，即y上升到36%*63.2%=22.752%所花的時(shí)間從上圖可以看出T=45s從圖像可以知道，系統(tǒng)的延遲比較小，如果忽略系統(tǒng)的延遲，則有系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:G做進(jìn)一步驗(yàn)證。JV16的開度為45度左右，從圖像可知:?y?(2)在JV開度為55度時(shí)，從圖像可知：

?y? 雖然得到結(jié)果與理論有差距，但是在誤差允許范圍內(nèi)，所以用一階系統(tǒng)對水箱建模是準(zhǔn)確的。誤差原因是多方面的：組態(tài)王畫面的表格精度不夠，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候很難獲取準(zhǔn)確的值。傳感器獲取的水位受水的波動(dòng)等影響，呈現(xiàn)出輕微的振蕩。當(dāng)水位過低的時(shí)候，傳感器獲取的水位并不是零，說明傳感器的矯正不好。測定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法可以研究系統(tǒng)在典型輸入信號作用的性能，對于一階、二階系統(tǒng)可以快速、直接地求出輸出的時(shí)域表達(dá)式，繪出響應(yīng)曲線，從而利用時(shí)域指標(biāo)直接評價(jià)系統(tǒng)的性能。因此，時(shí)域法具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：工程實(shí)際中有大量的高階系統(tǒng)，要通過時(shí)域法求解高階系統(tǒng)在外輸入信號作用下的輸出表達(dá)式是相當(dāng)困難的，需要大量計(jì)算，只有在計(jì)算機(jī)的幫助下才能完成分析。此外，在改善系統(tǒng)性能時(shí)，采用時(shí)域法難于確定該如何調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)。其它的測定動(dòng)態(tài)特性的方法K= 整定后，參數(shù)如下：Kp=2.98Td=8.28Ti=18.34結(jié)果分析表-三種整定方法的比對方法超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間臨界整定57%50s人工優(yōu)化30%30sSignalconstrait44%25s實(shí)驗(yàn)使用西門子S7-200作為PID控制器，組態(tài)王可以調(diào)整PID的參數(shù)。壓力傳感器獲取液位參數(shù)后，經(jīng)比較得到設(shè)定值與實(shí)際值的比較得到誤差信息，再經(jīng)過PID運(yùn)算后，得到一個(gè)控制輸出量，控制閥門的開度。經(jīng)過調(diào)整，最后液位達(dá)到設(shè)定值。閥門PID控制器閥門PID控制器液位 液位液位設(shè)定 圖液位PID控制框圖1、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。2、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。3、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)驗(yàn)。4、選定純P的控制器，待系統(tǒng)穩(wěn)定后改變設(shè)定值，然后測量余差。P=2的時(shí)候，余差為10圖P=1時(shí)的階躍響應(yīng)P=4的時(shí)候，余差為6P=10的時(shí)候，余差為0（振蕩）5、I整定，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σp。 a)Ti=0.5時(shí)，超調(diào)量為23.3%7b)Ti=2時(shí)，超調(diào)量為6.7%Ti=1.2時(shí)，超調(diào)量為16.7%5、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。這里選擇K=2，Ti=2a)Td=100b)Td=10Td=55、經(jīng)過比對，選擇參數(shù)K=2Ti=2Td=5可以得到比較滿意的參數(shù)。a)P對系統(tǒng)的影響，從上述的純P控制器的規(guī)律可以看出，P決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，另外，增大P可以減小余差，但是當(dāng)P增加到余差接近于零時(shí)，系統(tǒng)振蕩很嚴(yán)重，所以單純的增大P不能用于減小系統(tǒng)誤差。表-純P控制下P對系統(tǒng)的影響P2410穩(wěn)定時(shí)間/s352820（振蕩）穩(wěn)態(tài)誤差/%1060（振蕩）b)I對系統(tǒng)的影響，從上述的PI控制器與純P控制器對比，當(dāng)P相等時(shí)，有合適的I的PI控制器能消除余差。I越強(qiáng)，消除余差的能力也越強(qiáng)。但是從PI控制的3幅圖像來看，過大的I在啟動(dòng)階容易導(dǎo)致超調(diào)并且延長了系統(tǒng)的過渡時(shí)間。另者，積分過大也能引起振蕩。表-純PI控制下I對系統(tǒng)的影響Ti100105過渡時(shí)間/s604575超調(diào)量/%23.316.76.7c)D對系統(tǒng)的影響，微分量有超前的預(yù)料作用，能減小超調(diào)和過渡時(shí)間。但是由于實(shí)際的系統(tǒng)中都存在一定的噪聲，所以微分作用容易受噪聲的影響而引起振蕩，所以實(shí)際的系統(tǒng)中，微分量往往很弱。表-純PID控制下D對系統(tǒng)的影響Td0.51.22過渡時(shí)間/s554575超調(diào)量/%25177d)PID系統(tǒng)中，增大P縮短了響應(yīng)時(shí)間，但是同時(shí)超調(diào)量同時(shí)增大。增大I縮短了過渡時(shí)間，但是過大的I也會(huì)引起大的超調(diào)量，甚至振蕩。D作為微分量在一定條件下可以縮短過渡時(shí)間，起到提前抑制的作用。如果增大水箱容積，那么系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間將會(huì)加長。實(shí)驗(yàn)使用西門子S7-200作為PID控制器，組態(tài)王可以調(diào)整PID的參數(shù)。流量傳感器獲流量參數(shù)后，經(jīng)比較得到設(shè)定值與實(shí)際值的比較得到誤差信息，再經(jīng)過PID運(yùn)算后，得到一個(gè)控制輸出量，控制閥門的開度。經(jīng)過調(diào)整，最后流量達(dá)到設(shè)定值。閥門PID控制器閥門PID控制器流量 流量流量設(shè)定 圖流量PID控制框圖1、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。2、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。3、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)驗(yàn)。4、選定Ti=0.1，使用PI控制器，設(shè)定不同的KpKp=0.05的時(shí)候，超調(diào)量為1.7%，調(diào)節(jié)時(shí)間為40sKp=0.5的時(shí)候，超調(diào)量為31.7%，調(diào)節(jié)時(shí)間為30sKp=1的時(shí)候，超調(diào)量為23.3%，調(diào)節(jié)時(shí)間為20s5、選定Kp=0.1，使用PI控制器，設(shè)定不同的Tia)Ti=1，超調(diào)量為0，過渡時(shí)間為180sb)Ti=0.5，超調(diào)量為0，過渡過程時(shí)間為120sc)Ti=0.05,超調(diào)量為20%，調(diào)節(jié)時(shí)間為40s最后可以得出一組比較好的參數(shù)：Kp=0.1，Ti=0.05Td=10（較大，防止振蕩）a)P對系統(tǒng)的影響，增大P可以減小余差，但是當(dāng)P增加到余差接近于零時(shí)，系統(tǒng)振蕩很嚴(yán)重，所以單純的增大P不能用于減小系統(tǒng)誤差。表-PI控制下P對系統(tǒng)的影響Kp0.050.51穩(wěn)定時(shí)間/s403023.3穩(wěn)態(tài)誤差/%1.731.720b)I對系統(tǒng)的影響,I越強(qiáng)，消除余差的能力也越強(qiáng)。但是從PI控制的3幅圖像來看，過大的I在啟動(dòng)階容易導(dǎo)致超調(diào)并且延長了系統(tǒng)的過渡時(shí)間。另者，積分過大也能引起振蕩。表-純PI控制下I對系統(tǒng)的影響Ti10.50.05過渡時(shí)間/s18012040超調(diào)量/%0020.0實(shí)驗(yàn)使用西門子S7-200作為PID控制器，組態(tài)王可以調(diào)整PID的參數(shù)。壓力傳感器獲取液位參數(shù)后，經(jīng)比較得到設(shè)定值與實(shí)際值的比較得到誤差信息，再經(jīng)過PID運(yùn)算后，得到一個(gè)控制輸出量，控制閥門的開度。經(jīng)過調(diào)整，最后液位達(dá)到設(shè)定值。閥門PID控制器閥門PID控制器壓力 壓力壓力設(shè)定 圖壓力PID控制框圖1、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。2、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。3、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)驗(yàn)。4、選定Ti=0.13，使用PI控制器，設(shè)定不同的KpKp=0.2的時(shí)候，超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時(shí)間為20sKp=0.2的時(shí)候，超調(diào)量為0，調(diào)節(jié)時(shí)間為15sKp=1的時(shí)候，超調(diào)量為0%，調(diào)節(jié)時(shí)間為3s5、選定Kp=1.0,PI控制器，設(shè)定不同的Ti