微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)-內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)張嘉英 王林編著內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院自動(dòng)化系二0一五年五月計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)一 概述2二設(shè)計(jì)題目及內(nèi)容3設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)二液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤未定義書(shū)簽。設(shè)計(jì)三基于模擬對(duì)象數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤未定義書(shū)簽。附錄:附廿多功能數(shù)據(jù)米集柝卡使用說(shuō)明附錄二多功能數(shù)據(jù)米集柝卡使用說(shuō)明錯(cuò)誤未定義書(shū)簽。附錄三 模擬對(duì)象電路原理圖附錄四三容水箱阻力板錯(cuò)誤未定義書(shū)簽1計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)第一章概述1 .課程設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)過(guò)程中理論聯(lián)系實(shí)際、不可或缺的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)， 具有覆蓋知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)課程

2、設(shè)計(jì)，能使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論 知識(shí)加深理解，理論聯(lián)系實(shí)際，并學(xué)會(huì)利用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題， 提高觀察、分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，獲得科學(xué)研究的 初步技能。2 .課程設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)是一門對(duì)理論知識(shí)要求較高的課程，不僅要求 學(xué)生牢固掌握數(shù)字電路、模擬電路基礎(chǔ)知識(shí)，擁有扎實(shí)的微型計(jì)算機(jī)原理、 接口以及控制理論知識(shí)，熟悉過(guò)程對(duì)象的控制特性，較好地掌握計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)的典型分析方法、基本設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)方法，并且能熟練使用匯編語(yǔ)言、 高級(jí)語(yǔ)言程序以及組態(tài)軟件編程。3 .課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)也是一門與實(shí)踐聯(lián)系緊密的專業(yè)課程。學(xué)生要 具備良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

3、硬件電路的分析和設(shè)計(jì)能力，在此基礎(chǔ)上可以根 據(jù)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)適合的控制算法加以實(shí)現(xiàn)，還要較為全面的考慮到理論設(shè) 計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)的可實(shí)現(xiàn)性、現(xiàn)場(chǎng)的諸多問(wèn)題以及解決辦法。4 .課程設(shè)計(jì)的總體要求本課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，它不僅需要微型機(jī)控制理論、 計(jì)算機(jī)接口、程序設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且要求學(xué)生具備一定的生產(chǎn)工藝 知識(shí)，對(duì)于對(duì)象建模的方法、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制器的設(shè)計(jì)方法、控制器 的控制規(guī)律及參數(shù)整定方法等都需良好的掌握。第三章設(shè)計(jì)題目及內(nèi)容設(shè)計(jì)一雙容水箱Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備雙容水箱SMITH的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)、四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)DDC實(shí)驗(yàn)軟件、PC

4、機(jī)（Window XP Professional操 作系統(tǒng)）及連接線等組成。、一 而甲 X H 幗世0 ,娘* H留用上修 :理 N16sy I I止一Ivr r?.，jli I制g/lT聊 懵式rwi K式豐玷I殖5比卬IH逐M用帥 071 (m 1151 a-4值*-im i nr ' i圖1-1雙容水箱SMITH控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面圖加：19 JL、設(shè)計(jì)原理1、雙容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型以雙容水槽水位調(diào)節(jié)對(duì)象為例，分析其動(dòng)特性及數(shù)學(xué)模型。典型的雙容水槽水位調(diào)節(jié)對(duì)象如圖1-2所示:調(diào)節(jié)閥1圖1-2典型的雙容水槽水位調(diào)節(jié)耕系根據(jù)典型單容的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于圖1-2所示的系統(tǒng)有：P-8Hi

5、 s Kii sTis1(1-1)P-9H2 SQsK2T2s1(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)Qs H1 s對(duì)于（1 3）式，假定在工作點(diǎn)附近有，Qs = KrH 1 s聯(lián)立上述各式，可得：H2 sK1K2K * *1sT1s 1 T2s 1標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式為：H 2 s K1 sT1s 1 T2s 1式中K=KR*K1*K2上式為典型的雙容水箱對(duì)象的傳遞函數(shù)，從傳遞函數(shù)中可以看 出，具有兩個(gè)負(fù)極點(diǎn)-1/T1, -1/T2,所以它是非振蕩的自衡過(guò)程。2、雙容對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定法許多工業(yè)對(duì)象內(nèi)部的工藝過(guò)程復(fù)雜，通過(guò)機(jī)理分析等尋求對(duì)象的數(shù) 學(xué)模型非常困難，即使能得到對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，仍

6、需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái) 驗(yàn)證。因此，對(duì)于運(yùn)行中的對(duì)象，用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定其動(dòng)態(tài)特性，是了解對(duì) 象的簡(jiǎn)易途徑。常用的測(cè)定對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法主要有三種：A、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法這個(gè)方法主要是求取對(duì)象的飛升曲線或方波響應(yīng)曲線。飛升曲線是在輸入量作階躍變化時(shí)測(cè)繪輸出量隨時(shí)間變化曲線得到的；方波響應(yīng)曲線是在輸入量作一個(gè)脈沖方波變化時(shí)測(cè)繪輸出量隨時(shí)間變化曲線得到 的。在獲得特性曲線的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析獲得相應(yīng)的對(duì)象特性。這種測(cè) 定方法簡(jiǎn)單、測(cè)試工作量較小，應(yīng)用廣泛，但是測(cè)量精度不高。B、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的頻域方法這個(gè)方法主要是獲得對(duì)象的頻率特性，其通過(guò)在對(duì)象輸入一種正弦 波或近似正弦波，測(cè)出輸入量和輸出量的幅度比和

7、相位差， 來(lái)獲得頻率 特性。這種方法在原理上和數(shù)據(jù)處理上都是比較簡(jiǎn)單的， 但是此方法需 要專門的超低頻測(cè)試設(shè)備，測(cè)試工作量較大。C、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)研究方法這個(gè)方法通過(guò)在對(duì)象輸入端加上某種隨機(jī)信號(hào)或直接利用對(duì)象輸 入端本身存在的隨機(jī)噪聲，觀察和記錄由于這些信號(hào)或噪聲引起的對(duì)象 各個(gè)參數(shù)的變化，從而研究對(duì)象的動(dòng)特性。這種方法對(duì)生產(chǎn)的影響很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受干擾影響，精度高，但 統(tǒng)計(jì)法要求累積大量數(shù)據(jù)，并用相關(guān)儀和計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。3、雙容水箱特性的測(cè)定方法本設(shè)計(jì)采用飛升曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，即在輸入量作階躍變化時(shí)測(cè) 繪輸出量隨時(shí)間變化的曲線，并通過(guò)對(duì)曲線的分析獲得雙容水箱對(duì)象的 動(dòng)特

8、性。具體步驟如下：A、選擇工作點(diǎn)給定控制量，讓雙容水箱對(duì)象的液位穩(wěn)定。B、測(cè)繪飛升曲線讓控制量做階躍變化，并測(cè)繪雙容水箱液位隨時(shí)間變化的曲線C、獲得對(duì)象的動(dòng)特性假定在輸入量變化量為A仙時(shí)測(cè)繪的飛升曲線如圖所示：因此，可估算雙容水箱的模型為K s/、Gp sTT7（1-7）其中K 1*W（1-8）U 丫由Tao(1-9)4、Smith預(yù)估算法設(shè)一個(gè)控制系統(tǒng)，對(duì)象特性為：gpc sgpPs(1-10)這里將對(duì)象分成兩部分GP和PS,設(shè)這兩部分之間有變量B,如果能將B檢測(cè)出來(lái)，則可以按圖1-4構(gòu)造簡(jiǎn)單的反饋控制系統(tǒng)。圖1-4理想的純滯后過(guò)程的單回路控制如圖1-4所示，由于B信號(hào)沒(méi)有滯后，所以系統(tǒng)響應(yīng)

9、將會(huì)大大地改 善。然而因?yàn)锽是不能直接檢測(cè)的，只有用過(guò)程模型才能將它推算出來(lái)。Smith預(yù)估器的實(shí)質(zhì)是借助于過(guò)程模型推算出滯后環(huán)節(jié)前的輸出， 以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有純滯后的反饋控制。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型的Smith預(yù)估控制器, 其組成的控制系統(tǒng)如圖1-5所示：D (s)圖1-5本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)框圖由上圖可見(jiàn)，y sm s為對(duì)象的無(wú)滯后預(yù)估輸出，其中此控制器加 入了對(duì)實(shí)際輸出信號(hào)與預(yù)估模型輸出信號(hào)誤差的濾波處理。5、Smith控制器的整定從本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)框圖可以看出，此改進(jìn)型Smith 預(yù)估器的參數(shù)整定主要根據(jù)雙容水箱的模型參數(shù)獲得， 根據(jù)實(shí)際的控制 效果，調(diào)整參數(shù)，直至達(dá)

10、到較佳的控制效果。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容雙容水箱對(duì)象的原理分析熟悉四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，分析雙容水箱控制系統(tǒng)的組成、工 作原理、數(shù)學(xué)模型的典型形式。雙容水箱動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型的建立通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并繪制雙容水箱液位的飛升曲線，計(jì)算雙 容水箱數(shù)學(xué)模型并分析其特性。雙容水箱改進(jìn)型Smith預(yù)估液位控制設(shè)計(jì)及仿真研究建立改進(jìn)型Smith預(yù)估液位控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并在 atlab環(huán)境 下進(jìn)行仿真研究，得到較為滿意的結(jié)果。.控制策略實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)的控制策略在CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。閥門開(kāi)度信號(hào) 做階躍變化時(shí)，繪制輸出液位趨勢(shì)曲線，分析系統(tǒng)的控制性能，討論 Smith控制器參數(shù)對(duì)控制效果的影響。四、設(shè)計(jì)要求.

11、完成所有設(shè)計(jì)內(nèi)容：包括雙容水箱系統(tǒng)組成原理分析、液位對(duì) 象數(shù)學(xué)建模、改進(jìn)型Smith預(yù)估控制原理的分析、改進(jìn)型 Smith預(yù)估液 位控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究、CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)等。.撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告：繪制雙容水箱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖及進(jìn)行必要說(shuō)明；繪制液位對(duì)象測(cè)試的實(shí)驗(yàn)曲線；分析液位對(duì)象數(shù)學(xué)建模的完整過(guò) 程；繪制改進(jìn)型Smith預(yù)估液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及仿真結(jié)果圖并對(duì)仿真 結(jié)果進(jìn)行分析；CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果進(jìn)行分析和討論、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)心得等。設(shè)計(jì)二大滯后溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備大滯后溫度控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)、四水箱實(shí)驗(yàn)

12、系統(tǒng) DDC實(shí)驗(yàn)軟件、PC機(jī)（Window XP Professional操作 系統(tǒng)）及連接線等組成。運(yùn)行四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)DDC實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)入溫 度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)界面，如圖-所示：圖大滯后溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面圖四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以溫度為被調(diào)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套溫度對(duì)象 系統(tǒng)，其整體框圖如圖3-7所示：圖3-7溫度對(duì)象系統(tǒng)整體框圖如圖 所示，加熱水箱的水通過(guò)溢流口流到短滯后環(huán)節(jié)， 短滯后環(huán) 節(jié)的水通過(guò)擋板的溢流孔流到長(zhǎng)滯后環(huán)節(jié)， 如果忽略水流動(dòng)過(guò)程的熱損 壞，上述裝置便構(gòu)成了一個(gè)溫度滯后的對(duì)象系統(tǒng)。其中，溫度 對(duì)應(yīng)的環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間較短，稱之為短滯后環(huán)節(jié)；溫度 對(duì)應(yīng)的環(huán)節(jié)的滯后時(shí) 間較長(zhǎng)，稱之為長(zhǎng)滯后環(huán)節(jié)。二

13、、設(shè)計(jì)原理四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以溫度為被調(diào)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套溫度對(duì)象系統(tǒng)，其水箱框圖如圖 所示：調(diào)節(jié)閥1To J Qo圖3-8四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加熱水箱框圖1、溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型在圖3-7所示的對(duì)象框圖中，各個(gè)變量定義如下:Qi:輸入水的流量（米3/秒）Ti:輸入水的水溫（C）Q0：輸出水的流量（米3/秒）T0：輸出水的水溫（C）T1:加熱水箱的水溫（C）AT1:加熱水箱的水溫的微小增量（C）V：水槽中儲(chǔ)存水的容積（米3）F：水槽的橫斷面積（米2）Cp：水的比熱:水的密度Wm：加熱裝置的最大功率（瓦）u3:加熱裝置的控制彳S號(hào)，其范圍為：0100%加熱水箱吸收的熱量為：JiCpVTi（3-1

14、1）水循環(huán)帶走的熱量為:J2 Cp Qo TotCpQiTi(3-12)加熱裝置產(chǎn)生的熱量為:(3-13)J3 U3 Wm根據(jù)能量守恒關(guān)系，如果忽略熱損失有:J1J2 =(3-14)Cp VT1 Cp Qo Tot Cp Qi T t u3 Wmt(3-15) 整理得：V / Qo To Qi Ti Wm U3(3-16)tCp(3-17)當(dāng)水循環(huán)穩(wěn)定時(shí)，則有:Q=Q0若不考慮熱損失，則有:T0=Ti(3-18)將式（3-17）和（3-18）代入式（T1TP T1 Ti K p u3上式中TP V ;KPQi其拉氏表達(dá)式為T1 sKPu3 s TPs 12、溫度水箱特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 這里采用

15、飛升曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法, 時(shí)測(cè)繪輸出量水箱溫度隨時(shí)間變化曲線, 水箱對(duì)象的動(dòng)特性。3-16）中，則有：（3-19）Wm CP*Qi（3-20）即在調(diào)壓模塊輸出作階躍變化并通過(guò)對(duì)曲線的分析獲得溫度具體步驟如下： 構(gòu)造恒定的水循環(huán) A、選擇工作點(diǎn)給定控制量，讓溫度對(duì)象的溫度穩(wěn)定在某個(gè)點(diǎn)B、測(cè)繪飛升曲線讓控制量做階躍變化，并測(cè)繪溫度隨時(shí)間變化的曲線C、獲得對(duì)象的動(dòng)特性假定在輸入量變化量為A u時(shí)測(cè)繪的飛升曲線如圖3-9所示:圖3-9大滯后溫度飛升曲線(3-21)(3-22)因此，可估算溫度對(duì)象的模型為Ts 1K 丫 * *U yien3 、短滯后控制系統(tǒng)的組成及原理單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指用一個(gè)控制

16、器來(lái)控制一個(gè)被控對(duì)象， 其 中控制器只接收一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。短滯后 環(huán)節(jié)溫度PID控制系統(tǒng)也是一種單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 短滯后環(huán)節(jié)溫度PID控制系統(tǒng)如圖3-10所示:圖3-10短滯后環(huán)節(jié)溫度PID控制系統(tǒng)的方框圖在短滯后環(huán)節(jié)溫度PID控制系統(tǒng)中，以溫度為被控量。其中，測(cè)量電路主要功能是測(cè)量對(duì)象的溫度并對(duì)其進(jìn)行歸一化等處理；PID控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)設(shè)定值和測(cè)量值的偏差信號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào) 節(jié)，從而控制短滯后環(huán)節(jié)的溫度達(dá)到期望的設(shè)定值。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可 以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，只有在單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)更 高要求的情況下，才采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。(1) PID調(diào)

17、節(jié)規(guī)律在液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于液位參數(shù)變化較快，一般不采用微分調(diào)節(jié) 規(guī)律，而在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于溫度變化緩慢，加入微分的調(diào)節(jié)作用 可以顯著地改善控制器的控制效果。因此，這里采用P、I和D三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合的調(diào)節(jié)規(guī)律。(2) PID控制器參數(shù)的實(shí)驗(yàn)整定方法短滯后環(huán)節(jié)溫度 PID控制器參數(shù)的整定方法和加熱水箱溫度 PID 控制器參數(shù)的整定方法是一致的，但由于滯后環(huán)節(jié)的存在，對(duì)PID控制 器參數(shù)的整定帶來(lái)難度，使得其整定過(guò)程更加復(fù)雜。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容.水箱溫度對(duì)象的原理分析熟悉四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，分析水箱溫度控制系統(tǒng)的組成、工 作原理、數(shù)學(xué)模型的典型形式。 水箱溫度動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型的建立通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)

18、量并繪制水箱溫度的飛升曲線，計(jì)算大滯后水箱溫度數(shù) 學(xué)模型并分析其特性。 大滯后水箱溫度PID控制設(shè)計(jì)及仿真研究建立大滯后水箱溫度PID控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并在atlab環(huán)境下 進(jìn)行仿真研究，得到較為滿意的結(jié)果。.控制策略實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)的控制策略在CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)壓模塊輸出 信號(hào)做階躍變化時(shí)，繪制輸出溫度趨勢(shì)曲線，分析系統(tǒng)的控制性能，計(jì) 算在較佳控制參數(shù)下的超調(diào)量、過(guò)渡時(shí)間和衰減比等特性參數(shù)，討論 PID控制器參數(shù)對(duì)控制效果的影響。四、設(shè)計(jì)要求.完成所有設(shè)計(jì)內(nèi)容：包括水箱溫度系統(tǒng)組成原理分析、大滯后 水箱溫度對(duì)象數(shù)學(xué)建模、ID控制控制原理的分析、大滯后水箱溫度PID 控制控制策略設(shè)

19、計(jì)及仿真研究、CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)等。.撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告：繪制水箱溫度系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖及進(jìn)行必要 說(shuō)明；繪制大滯后水箱溫度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)曲線； 分析大滯后水箱溫度對(duì)象 數(shù)學(xué)建模的完整過(guò)程；繪制大滯后水箱溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及仿真結(jié)果 圖并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析；CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程、 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)心得等。設(shè)計(jì)三基于C3000的雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備基于C3000雙容水箱液位控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)、C3000過(guò)程控制器、PC機(jī)（Window XP Professional操作系統(tǒng)）及連接線等組成。運(yùn)行C30

20、00四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)入液位特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)界面，如圖-所示：計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)圖雙容水箱液位實(shí)驗(yàn)界面、設(shè)計(jì)原理 1、雙容水箱對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及其實(shí)驗(yàn)建模雙容水箱系統(tǒng)如圖3-12所示，這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)用聯(lián)起來(lái)，被調(diào)量是第二水槽的水位h20當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加時(shí)，被調(diào)量變化的反應(yīng)曲線如圖3-13所示的A2曲線。它不再是簡(jiǎn)單的 指數(shù)曲線，而是呈S形的一條曲線。由于多了一個(gè)容器，就使調(diào)節(jié)對(duì)象 的飛升特性在時(shí)間上更加落后一步。在圖中S形曲線的拐點(diǎn)P上作切線， 它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間。這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此稱容量滯后，通常以

21、c代表之。設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度 h2為輸出量，根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞H2 sQi s函數(shù)為:K e T1s 1 T2s 1圖3-12雙容水箱系統(tǒng)示意圖式中 K=R3, Ti=R2Ci, T2=R3c2, R2、R3分別為閥 V2 和 V3 的液阻，Ci和C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。式中的 K、T1和T2須從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。具體的做法是在圖2-2所示的階 躍響應(yīng)曲線上取: 1、h2 (t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2()2、h2 (t) |t=ti=0.4h2(呻才曲線上的點(diǎn) A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間ti;3、然后，利用下面的近似

22、公式計(jì)算式 2-1中的參數(shù)K、Ti和丁2。h2輸入穩(wěn)態(tài)值K -rT 階躍輸入量Ti T2 32.16對(duì)于式（3-23）所示的二階過(guò)程，0.32<ti/t2<0.46。當(dāng) ti/t2=0.32 時(shí), 為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)ti/t2=0.46時(shí)，過(guò)程的傳遞函數(shù) G（s ）=K/2（T+1）（此時(shí) Ti=T2=T=2.18（ti+t2）/2）FT2 21.74卜 0.55Ti T2t22、雙容水箱液位PID控制圖3-14 二階單回路 PID控制方框圖圖3-14為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度，具有減少或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部

23、擾動(dòng)的影響功能。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能完全取決于調(diào)節(jié)器 Gc（s）的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水 箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。對(duì)于階躍輸入（包括階躍擾動(dòng)），這種系統(tǒng)用比例（P）調(diào)節(jié)器去控 制，系統(tǒng)有余差，且與比例度成正比，若用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器去控 制，不僅可實(shí)現(xiàn)無(wú)余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)K和Ti調(diào)節(jié)得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無(wú)余差存在， 又使其動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 雙容水箱對(duì)象的原理分析熟悉四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，分析雙容水箱控制系統(tǒng)

24、的組成、工 作原理、數(shù)學(xué)模型的典型形式。 雙容水箱動(dòng)態(tài)特性及其數(shù)學(xué)模型的建立通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并繪制雙容水箱液位的飛升曲線，計(jì)算雙容水箱數(shù)學(xué) 模型并分析其特性。 雙容水箱PID液位控制設(shè)計(jì)及仿真研究建立雙容水箱PID液位控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并在 atlab環(huán)境下進(jìn) 行仿真研究，得到較為滿意的結(jié)果。.控制策略實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)的控制策略在C3000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。閥門開(kāi)度做階躍 變化時(shí)，繪制輸出液位趨勢(shì)曲線，分析系統(tǒng)的控制性能，討論P(yáng)ID控制 器參數(shù)對(duì)控制效果的影響，計(jì)算在較佳控制參數(shù)下的超調(diào)量、過(guò)渡時(shí)間 和衰減比等特性參數(shù)。四、設(shè)計(jì)要求.完成所有設(shè)計(jì)內(nèi)容：包括雙容水箱系統(tǒng)組成原理分析、液位對(duì) 象數(shù)學(xué)建模

25、、改進(jìn)型Smith預(yù)估控制原理的分析、改進(jìn)型 Smith預(yù)估液 位控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究、CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)等。.撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告：繪制雙容水箱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖及進(jìn)行必要 說(shuō)明；繪制液位對(duì)象測(cè)試的實(shí)驗(yàn)曲線；分析液位對(duì)象數(shù)學(xué)建模的完整過(guò) 程；繪制改進(jìn)型Smith預(yù)估液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及仿真結(jié)果圖并對(duì)仿真 結(jié)果進(jìn)行分析；CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果進(jìn)行分析和討論、撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)心得等。附錄附錄一現(xiàn)場(chǎng)總線型控制系統(tǒng)介紹（一）S7-300PLC控制柜的組成1、電源部分控制柜右邊為電源部分，從上到下依次有單相總電源開(kāi)關(guān)、電源指示、 24V/S7-300電源開(kāi)關(guān)，其他

26、為備用開(kāi)關(guān)和器件。單相總電源開(kāi)關(guān)為控制柜內(nèi)部的帶漏電保護(hù)的空氣開(kāi)關(guān)2、控制器：西門子S7-300PLC,型號(hào)為CPU314-2 DP ,它集成了 MPI接口，可以很方便 的在PLC站點(diǎn)、操作站 OS、編程器PG、操作員面板建立較小規(guī)模的通訊。它還 集成了 PROFIBUS-DP接口，通過(guò)DP可以組建更大范圍的分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。工作電壓：DC 24V通訊模塊：CP56113、模擬量輸入輸出模塊采用西門子集成模擬量輸出模塊。輸出控制信號(hào)至遠(yuǎn)程I/O模塊。規(guī)格：4X12BIT AO工作電壓：DC 24V工作方式：0-20mA、4-20mA, +/-10V、0-10V。本系統(tǒng)采用4路4-20mA電流輸

27、出，接線時(shí)要注意。4、DP鏈路采用西門子 DP LinK和DP/PA耦合器組成，工作電壓為 DC24V。DP/PA耦合器原理圖如下:（二）PLC過(guò)程控制系統(tǒng)控制軟件1、STEP7STEP7是西門子公司針對(duì) S7300所開(kāi)發(fā)的一款編程軟件，可以通過(guò) MPI、 PROFIBUS工業(yè)以態(tài)網(wǎng)等接口實(shí)現(xiàn) PC和PLC之間的通訊，并在 PC上又PLC下載 和上載程序。具體操作如下:彷彳T STEP7可以通過(guò)向?qū)陆ㄒ粋€(gè)工程。?打開(kāi)“ SIMATIC 300 STATION中白“ hardware"，進(jìn)入硬件組態(tài)窗口，選擇 正確的輸入輸出模塊。注意配置好相應(yīng)的輸入輸出規(guī)格，本系統(tǒng)輸入模塊采用1-5

28、V直流電壓模式，輸出模塊采用4-20mA電流模式。?在“BLOCKS中添加所需編程模塊，進(jìn)行編程。STEP7可以很方便的在 STLLAD FBD中切換編程方式。為方便編程，編程之前先把輸入輸出通道和所要 的輸入輸出量對(duì)應(yīng)起來(lái)。?實(shí)驗(yàn)中我們主要用到的功能函數(shù)模塊為FB41,它是集成的PID模塊，主要結(jié)構(gòu)如下：碉試程序，直至無(wú)誤，下載程序。?將PLC置于RUN莫式，運(yùn)行程序。如果PLC上的SF燈亮，則說(shuō)明有系統(tǒng)錯(cuò)誤,可以在："PLC -> “module information ”中觀察，然后進(jìn)行錯(cuò)誤處理。.1:e Butfw|酷57弁|於5Celi 門 cr Lp 1 j va：

29、CT甘 2JLI5-E七.nziAkricJDD3E3fdr：- Slo / Desert & - .Xersi-Ji工審3i*j UdfOJ丸a Jau h工皿七yL, E1. LJ«¥E-S3.-V t 二1: duL t ot*. lafcl e ar)4.6 k.4t 1at rar LTm iFATT"1_rJTgMI«du<le inroiWMition LFO Ji b 2 酬k uNUHLFT、mg rn.”魯打曰 0cm,塞/inS tEx r arMat £a-reiS j sbtiirie iysl tnJT

30、 的t tore m二吧 Btci |C vrn mitJi c 4.1 i &n | Stacl£5Hilp.2、WINCCWINCB西門子公司開(kāi)發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，通過(guò)WINCC可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和控制。 具體操作如下：彷彳亍WINCC?新建一個(gè)工程，進(jìn)入工程資源管理器。?在“變量管理器”中添加 SIMATIC S7 PROTOCOL SUIT日區(qū)動(dòng)程序。卷加新的變動(dòng)程序M回國(guó)H國(guó)國(guó)5IMATIC5D5 KPIPXHhlSIMATICS5 Ethernet La泮F 4.CHIMSIMATIC5S Ethernet TF.CI-fJST MA nr SS PIvjCF

31、hhRfriftl-.rHN5IMATKS5 PMC Praflbus.CHN閩 5IMATIC S5 PrDgrmm»rt Port AS15IMATIC55 Serial 3Q6+R.CHMSIMATIC 夕 PrcEocol Suite.CHN國(guó) srrvTAnr tt尸叢四中的i可呻 hfm*15IHATKII Serial, CHN «SIPART.CHhJ查找范圍：| Jbin34三文件類型I出王匚通用上動(dòng)程序建扇）文件名： |swnc E7 rrotc.col &ii?在相應(yīng)的通訊接口類型中新建驅(qū)動(dòng)連接。在新建的驅(qū)動(dòng)連接中建立變量。注意，變量的地址要和

32、 PLC中的地址相對(duì)應(yīng)。如圖:業(yè)固切皿El眇ICrwUml EHwinri: InMlEmz <llj-公 g gq* y陽(yáng)佃3dH:，叱，文 -十盛M晶聞IMjwMFmFPETIEUSMfrJAU&OQWMTCFjF二 i3儂0if血MEEfl 3VD&2-oIUHl)燦如二 期»*t電丸1%號(hào)二整場(chǎng)曾-11UU幣5 *午It皿忸匯時(shí)尚：“"T -aW.iTTQl . :agtg 不干Qi： 就甌igfTflil：一Si：OJ _tT i» . 期颯的上午Cfti 2QC3IMZ? At m .卜培宣史1-題網(wǎng)R ”心*拶是IEG l.3E

33、 TTfL用工;t«K立站i.mr 也甘! EiEiiM» 加 ，一，口，”，小 .， 崎山*號(hào) * 青4 舊工力 工VL工岸%學(xué)口中防X師史Ec ；!-洋IS團(tuán)中»皿，1上虜甘就的*凱/陶力eca wuei*e創(chuàng)1岫1,»/用蠟M9n«rWE"旭射?在圖形編輯器中創(chuàng)建組態(tài)畫(huà)面。畫(huà)面中用到的變量一定要事先定義好。?保存并激活WINCC運(yùn)行工程，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)對(duì)控制對(duì)象的監(jiān)控。附錄二現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)象系統(tǒng)介紹（一）現(xiàn)場(chǎng)總線型對(duì)象系統(tǒng)主要特點(diǎn)1、被調(diào)參數(shù)囊括了流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數(shù)。2.執(zhí)行器中既有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（或調(diào)節(jié)閥）、單相SC射壓

34、等儀表類執(zhí)行機(jī)構(gòu),又有變頻器等電力拖動(dòng)類執(zhí)行器。3、調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值階躍擾動(dòng)外，還有在對(duì)象中通過(guò)另一動(dòng)力支路或電磁閥或手操作閥制造各種擾動(dòng)。4、一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)力源、不同的執(zhí)行器、不同的工藝線路下演變成 多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。5、某些檢測(cè)信號(hào)、執(zhí)行器在本對(duì)象中存在相互干擾，二者同時(shí)進(jìn)行時(shí)要對(duì)原獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行重新整定，由此可對(duì)單回路調(diào)節(jié)與復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)比 較優(yōu)劣。6、各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開(kāi)放的組態(tài)實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表在上位機(jī)組態(tài)軟件中永久存儲(chǔ)，并可隨時(shí)調(diào)用，以便實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的比較和分析。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)從工程化、參

35、數(shù)化、現(xiàn)代化、開(kāi)放性、綜合性人才的培養(yǎng)原則出發(fā)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用了很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用檢測(cè)控制裝置，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用 WINCC工控組態(tài)軟件。學(xué)生通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的了解和使用，進(jìn)入企業(yè)后能夠很快適應(yīng)環(huán)境 進(jìn)入角色，同時(shí)該系統(tǒng)也為教師和研究生提供一個(gè)高水平的學(xué)習(xí)和研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)。（二）現(xiàn)場(chǎng)總線型實(shí)驗(yàn)對(duì)象組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有一組有機(jī)玻璃四容水箱，每個(gè)水箱裝有液位變送器；通過(guò)閥門切換， 任何兩組動(dòng)力的水流可以到達(dá)任何一個(gè)水箱。因此系統(tǒng)可以完成多種方式下的液 位、流量及其組合實(shí)驗(yàn)；還提供了一個(gè)加熱水箱和一個(gè)溫度純滯后水箱，加熱水 箱及純滯后水箱不同時(shí)間常數(shù)位置裝有Pt100熱電阻檢測(cè)溫度，由可控硅控制電加熱管提供可調(diào)熱

36、源，系統(tǒng)可以完成多種溫度實(shí)驗(yàn)；還包括兩個(gè)獨(dú)立的水路動(dòng)力 系統(tǒng)，一路由水泵、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)組成（主管路），由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，電磁流量計(jì)檢測(cè)流量；另一路由變頻器、水泵、流量計(jì)組成（副管路），由變頻器調(diào)節(jié)流量，流量計(jì)檢測(cè)流量?？梢酝瓿啥喾N方式下的流量控制實(shí)驗(yàn)。對(duì)象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中檢測(cè)變送和執(zhí)行元件包括：液位傳感器、溫度傳感器、電 磁流量計(jì)、壓力表、氣動(dòng)（或電動(dòng)）調(diào)節(jié)閥等?，F(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)對(duì)象檢測(cè)及執(zhí)行裝置包括：1、PA壓力傳感器本裝置采用西門子 SITRANSP系列壓力傳感器，它把檢測(cè)到的壓力信號(hào)就 地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò) PROFIBUS P剛、議與DP鏈路通訊。PA壓力傳感器記錄和處理測(cè)量值的連接框

37、圖如下:號(hào)上位制箱 三左液控水號(hào)下位制箱 二右液控水副管路甲匚通儲(chǔ)水箱V60二 液位 控制 水箱圖2-1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、溫度傳感器Pt100熱電阻工作原理：接線說(shuō)明：連接兩端元件熱電阻采用的是三線制接法。采用三線制接法是為了減少測(cè)量誤差。因?yàn)樵诙鄶?shù)測(cè)量中，熱電阻遠(yuǎn)離測(cè)量電橋，因此與熱電阻相連接的導(dǎo)線長(zhǎng)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，連接導(dǎo)線的電阻值將有明顯的變化，為了消除 連接導(dǎo)線阻值的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，就采用了三線制接法。即在兩端元件的兩端分別引出兩條導(dǎo)線，這兩條導(dǎo)線（材料相同、長(zhǎng)度、粗細(xì)相等）又分別加在電橋相鄰的兩個(gè)橋臂上，如下圖所示。3、電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)：輸出信號(hào)為 PA信號(hào)，測(cè)量范圍：0-

38、1.2m3/h 。4、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥帶西門子閥門定位器智能氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入信號(hào)為4-20mADG 24VDC供電。5、單相可控硅移相調(diào)壓通過(guò)4-20mA電流控制信號(hào)控制單相 220V交流電源在0-220V之間根據(jù)控制電 流的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化。CS4000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及性能指標(biāo)1.1簡(jiǎn)介C3000過(guò)程控制器采用高亮度、寬視角的 顯畫(huà)面中，根據(jù)組態(tài)的不同，最多能同時(shí)顯示 中，每一路輸入信號(hào)都有單獨(dú)的實(shí)時(shí)報(bào)警提示。5.6英寸TFT液晶顯示屏。在實(shí)時(shí)數(shù)8路不同的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)棒圖和數(shù)顯畫(huà)面C3000過(guò)程控制器具有 320 X 234點(diǎn)陣256色顯示，采用32M NAND Flash 作為歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，還可通

39、過(guò)CF卡將組態(tài)設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備中，將所需要的數(shù)據(jù)永久保存。1.2詳細(xì)說(shuō)明C3000過(guò)程控制器顯示錯(cuò)誤床找到5.6英寸TFT液晶顯示屏見(jiàn)鬼取寸開(kāi)孔尺寸安裝面板厚度144mnX 144mm< 240mm138mm< 138 mm1.5mm8.0mm重量約 2.52kg供電交流電源： (47-63)Hz (86-264)V直流電源：(2030)VDC內(nèi)部存儲(chǔ) 外部轉(zhuǎn)存32M NAND FlashCF卡最大功耗30VA (AC); 30W (DC)隔離< 500VAC 通道和地；< 250VAC 通道和通道相對(duì)濕度40%85% （無(wú)結(jié)露）工作溫度0 c 50 C運(yùn)輸和存儲(chǔ)溫度-20 C 60 C若無(wú)特殊指明，所有指才爾適用于+18 C到+ 28 c的溫度范圍。所有指標(biāo)假定5分鐘的暖機(jī)時(shí)間，溫度系數(shù)從-10 C到18 c及+28 C到55 c為士0.005 %/C。1.3輸入信號(hào)模擬量輸入類型量程范圍相對(duì)精度（%）環(huán)境溫度影響（%/10 C）直流電壓(-11)V(-11)V士 0.2%士 0.1(-1010)V(-1