過程控制與Sminlink控制試驗(yàn)

1、過程控制與Matlab/Simulink實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊（基于MCG10型）MCG10 型 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document Simulink驅(qū)動與編程 2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 軟件安裝2RT-eSim 軟件4simulink物理仿真控制原理 4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 配置上位機(jī) 5RT-eSim外圍驅(qū)動庫6 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 一般實(shí)驗(yàn)7

2、HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 液位PID單回路控制 7 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 實(shí)驗(yàn)題目描述7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 實(shí)驗(yàn)編程8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 實(shí)驗(yàn)接線10 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 操作步驟和調(diào)試 11 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3、12流量PID單回路控制 12實(shí)驗(yàn)題目描述 12 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 實(shí)驗(yàn)編程14 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 實(shí)驗(yàn)接線15 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 操作步驟和調(diào)試 15 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 實(shí)驗(yàn)結(jié)果16第I頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)1 Simulink驅(qū)動與編程1.1軟件安裝本系統(tǒng)是使用 matlab2013a軟

4、件做檢測控制，以及 RT-eSIM下載軟件，和LINX支持庫文件。系統(tǒng)支持Win7旗艦版或者家庭版，32位或者64位系統(tǒng)，內(nèi)存2G,硬盤大于64G注意：在64位系統(tǒng)中要安裝32位的matlab軟件，運(yùn)行安裝包目錄下的文件binwin32setup.exeo 安裝路徑是在 program file(x86)下。軟件安裝1、先裝MATLAB2013a ,運(yùn)行安裝包文件setup.exe把linux 文件夾拷貝到 matlab 安裝目錄下：C:Program FilesMATLABR2013artwc 路徑下。、 運(yùn)行 matlab2013a,安裝好后啟動圖標(biāo)在 C:ProgramFilesMATL

5、ABR2013abin 路徑下：matlab.exe點(diǎn)擊里的Set Path.匚3 S包Path Simulink LayoutHeLibrary , q Parallel *“win卜把剛才linux文件夾添加進(jìn)來，在如下圖set path界面中操作:北京夢潮信服科技有限公司編制第2頁共48頁(含封面)MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)點(diǎn)擊Add with Subfolders, 把第2步的linux 文件夾添加進(jìn)來，點(diǎn)擊 Save. 保持之后關(guān)閉窗口。6、 運(yùn)行 c:program FilematlabR2013artwclinux 文件下的 download.exe。7、安裝

6、RT-eSim （linux交叉編譯器）軟件，運(yùn)行Setup.exe （這個有點(diǎn)大，新版的在改，會小很多）8、修改環(huán)境變量在“我的電腦”屬性中，選擇“高級”，下端點(diǎn)擊“環(huán)境變量”。到環(huán)境變量里，找到如下圖，RT-eSim系統(tǒng)安裝說明（linux交叉編譯器等）.doc 里的圖6,陰影前面會少個分號，需要加上（這個新版本的 Setup.exe已經(jīng)改 過來了，正在測試）北京夢潮信服科技有限公司編制第3頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)RT-eSim 軟件RT-eSim實(shí)時仿真平臺由硬件環(huán)境和軟件環(huán)境兩部分組成。硬件環(huán)境：RT-eSim實(shí)時仿真器軟件環(huán)境：RT-eSim

7、實(shí)時操作系統(tǒng)（運(yùn)行在實(shí)時仿真器上），以及 RT-eSim接 Simulink庫（實(shí)時仿真器上所有的I/O接口驅(qū)動都封裝到Simulink中，用戶 只需要拖出來使用即可，即便對于沒有任何硬件基礎(chǔ)的算法工程師，也能非常 輕松的使用）。RT-eSim實(shí)時仿真編譯控制系統(tǒng) （將Simulink模型文件生成C語言代碼、 編譯、自動下載、仿真驗(yàn)證的軟件支持）simulink物理仿真控制原理實(shí)時仿真系統(tǒng)由兩部分組成，這里分別用上位機(jī)和RT-eSim下位機(jī)進(jìn)行描述。上位機(jī)運(yùn)行 Windows操作系統(tǒng)，在 Windows操作系統(tǒng)中安裝 MATLAB/Simulink 軟件，運(yùn)行 Simulink仿真模型。下位機(jī)

8、 RT-eSim仿真機(jī)上 運(yùn)行的是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在嵌入式 Linux操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)中包 含了仿真機(jī)上各硬件接口的驅(qū)動程序，并且在仿真機(jī)開機(jī)的時候自動加載各驅(qū) 動模塊。實(shí)時仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖所示。圖中Window上位機(jī)中運(yùn)行 MATLAB/Simulink 程序，在上位機(jī)MATLAB程序中運(yùn)行有一個 Simulink仿真 應(yīng)用程序，假設(shè) Simulink工程名為Model.slx （.slx是Simulink工程文件的后 綴）。在搭建 Model.slx工程文件時，用戶可以利用 RT-eSim的Simulink接口 庫中的模塊，建立仿真算法與外部接口之間的數(shù)據(jù)流通關(guān)系。搭建完

9、成Simulink應(yīng)用程序后，配置模型成離散系統(tǒng)，設(shè)置 RT-eSim仿真 機(jī)的IP地址，編譯生成能運(yùn)行在 RT-eSim仿真機(jī)上的可執(zhí)行文件，編譯完成 后，可執(zhí)行文件將通過網(wǎng)絡(luò)自動下載到下位機(jī)RT-eSim仿真機(jī)上，并開始運(yùn)行，運(yùn)行后的程序處于等待狀態(tài)，等待上位機(jī)Simulink發(fā)送開始指令。通過設(shè)置Simulink為仿真模式為外部模式，建立連接，點(diǎn)擊開始，這時北京夢潮信服科技有限公司編制第4頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)Simulink給下位機(jī)發(fā)送一個開始指令，下位機(jī)接到指令后開始實(shí)時仿真，仿真 的過程數(shù)據(jù)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，傳遞給上位機(jī)進(jìn)行顯示。通知

10、上位機(jī)還可以對部 分參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完之后，自動下載到下位機(jī)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)圖4.3.1仿真結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流配置上位機(jī)設(shè)備IP地址固定為67 ,所以上位機(jī)要與設(shè)備在同一個網(wǎng)絡(luò)層。在完成硬件連接后，應(yīng)進(jìn)行上位機(jī) Windows的配置。設(shè)置本地連接IP地址 為192.168.2.xx網(wǎng)段。在網(wǎng)絡(luò)連接中，打開本地連接圖4.4.1配置IP地址點(diǎn)擊“屬性”中，選擇（TCP/IPv4）,雙擊，在彈出的對話框中，設(shè)置固定 IP北京夢潮信服科技有限公司編制第5頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)地址為“ 00,具體操作如圖4.4.2所

11、示圖4.4.2設(shè)置固定IP地址RT-eSim外圍驅(qū)動庫RT-eSim外圍驅(qū)動庫與Simulink實(shí)現(xiàn)完美融合。Simulink接口庫包含 三個部分，如圖4.5.1所示（圖中的效果 Rt-eSim庫已集成到Simulink庫文件 中，具體應(yīng)用將在下文詳細(xì)介紹）：常用基本模塊：（列出SIMULINK常用的模塊）通用I/O模塊：（基于RT-eSim仿真機(jī)的通用接口模塊，電壓輸出 為 3.3v 或 5v）過程控制外圍模塊：（針對過程控制涉及到的傳感器，定制功能， 包含調(diào)理電路的功能模塊）北京夢潮信服科技有限公司編制第6頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)圖 4.5.1RT

12、-eSim 接口 Simulink 庫2 一般實(shí)驗(yàn)液位PID單回路控制同樣的程序和界面，可以用于單容、水平雙容、垂直雙容和水平三容的液 位控制。只是管路有所不同，目標(biāo)液位不同。我們選擇單容來進(jìn)行描述。實(shí)驗(yàn)題目描述單容水箱液位PID控制流程圖如圖5.1所示，采用左邊支路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，背 邊支路也是一樣的。北京夢潮信服科技有限公司編制第7頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)4圖5.1單容水箱液位調(diào)速器PID單回路控制 測點(diǎn)清單如表5.1所示。表5.2單容水箱液位調(diào)速器PID單回路控制測點(diǎn)清單序號位號設(shè)備名稱用途原始信號類型工程量1P01直流泵泵速控制24VPWM0 1.0

13、2LT02壓力變送器水箱液位420mADCAI5kPa水介質(zhì)由泵P01從水箱V4中加壓獲得壓頭，經(jīng)過手閥JV1進(jìn)入水箱V2（中間水箱），通過手閥JV4回流至水箱V4而形成水循環(huán)；其中，水箱 V2的 液位由LT02測得，用調(diào)節(jié)手閥JV4的開啟程度來模擬負(fù)載的大小。本例為定 值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，P01為操縱變量，LT02為被控變量，采用PID調(diào)節(jié)來完成。2.1.2實(shí)驗(yàn)編程1、編程分析：單容液位PID控制回路，需要的I/O量:液位值、水泵驅(qū)動控制值 PWM。界面內(nèi)部量：目標(biāo)設(shè)定值、實(shí)際液位顯示值、PID參數(shù)量：比例系數(shù)、積分時間、微分時間。由于系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，我們調(diào)用 simulink庫模塊時PID選擇

14、離散模擬雙自 由度的 PID 控制器（PID Controller （2DOF ）。主要設(shè)置：1、時間選擇離散或連續(xù)方式。.Time-domain ； Sample time北京夢潮信服科技有限公司編制第8頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)2、選擇積分方法（離散時間）。.Integrator method Filter method3、設(shè)置和調(diào)整控制器的增益。Proportional （P）在 MainIntegral （I）在 MainDerivative （D）在 MainFilter coefficient （N） 在 Main Setpoint weig

15、ht （b） 在 Main Setpoint weight （c） 在 Main 4、限制塊輸出Limit output 在 PID AdvancedLower saturation limit 在 PID Advanced Upper saturation limit 在 PID Advanced Ignore saturation when linearizing 在 PID Advanced 5、配置抗飽和機(jī)制（當(dāng)你限制塊輸出）Anti-windup method 在 PID Advanced Back-calculation gain （Kb） 在 PID Advanced 2、計(jì)算過

16、程Silk2000采集的電壓值范圍為0-5V, 12位分辨率，對應(yīng)的數(shù)字量 4096, 我們將其轉(zhuǎn)換成百分值參與PID計(jì)算，傳感器的測量量程為0-50cm的水位， 傳感器模擬信號是4-20mA,程序中百分比減去了 820（4mA對應(yīng)值），在除以量 程3276 （4096-820的值）乘以100轉(zhuǎn)換成液位量程工程的百分比，乘以 50得 實(shí)際水位高度。設(shè)定值乘以2得百分值參與PID運(yùn)算。PID輸出0-100的值， 經(jīng)過轉(zhuǎn)換成標(biāo)定值（01.0）送入PWM脈寬調(diào)制的輸入端。（如果輸出想要的 電壓值（0-5V）請調(diào)用模擬量輸出功能塊）3、范例程序程序框圖北京夢潮信服科技有限公司編制第9頁共48頁（含封面

17、）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)5UriT3CSlCairtinLS1ConvEftDvtfi TypeCcns-lBTcl3Z715I3C wda50口片中叩3由|皿外Produa1QQQ 1CdpiIh 陷匚mmm4rrocbdiwe aCTQitaraWPWUt 自圖5.2單容液位PID控制程序2.1.3實(shí)驗(yàn)接線蝶方式參雕TL AI遇道任選擇1因63LT1+LT1-L72+LT2-LT3+LT3-PTI+PT1-PT2+PT2-FT1+FT1-F24VFGM)F_PSP01+P01-P02+P02-XV24VGNDXV01XV02NC士 A選擇VI進(jìn)水需要開啟XV01電動

18、閥圖5.3單容液位實(shí)驗(yàn)連接線北京夢潮信服科技有限公司編制第10頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)2.1.4操作步驟和調(diào)試1、選擇實(shí)驗(yàn)支路，關(guān)閉 JV10, JV6, JV7, JV8, JV9,打開JV1,半開 JV4模擬負(fù)載大?。ㄒ话阍?50%-70%）。2、按照實(shí)驗(yàn)接線要求，連接simlink2000到對象的接線。對照審核一遍。3、在控制系統(tǒng)上，水箱液位輸出連接到 AI0,回路內(nèi)部已經(jīng)共地，控制器 輸出的PWM調(diào)速器接P01。4、在計(jì)算機(jī)上打開matlab,確定其項(xiàng)目工程路徑，新建simulink工程，創(chuàng) 建程序，注意掃描時間設(shè)置（雙擊打開修改掃描時間）。5

19、、插上電源插頭，打開設(shè)備電源，配置計(jì)算機(jī) IP地址，與設(shè)備在同一網(wǎng) 段，在“運(yùn)行”中輸入cmd,回車確定，在命令欄內(nèi)輸入“ping”+ “設(shè)備IP地 址”。5、啟動運(yùn)行軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。雙擊調(diào)節(jié)器，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。6、在網(wǎng)絡(luò)通訊正常情況下，編譯下載工程，點(diǎn)擊“，出現(xiàn)成功編譯提示信息。零用 Suicces%ful ccMipletion of build procedure for nodel; TestAll 歲 卜7、點(diǎn)擊連接設(shè)備按鈕，運(yùn)行按鈕變成可執(zhí)行按鈕，點(diǎn)擊運(yùn)行啟動程序狀態(tài)監(jiān)控，在線設(shè)定給定值。8、觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上液位變化，實(shí)際液位值變化達(dá)到目標(biāo)值響應(yīng)太慢， 增大比例值。響應(yīng)太快

20、減小比例值9、如果出現(xiàn)較大的震蕩，應(yīng)該減小比例，增大積分時間。9、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿 意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。10、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)時幅值完全相等的擾動。11、設(shè)定值與測量液位值能夠很快地穩(wěn)定，測量值正負(fù)接近設(shè)定值，始終 保持快速響應(yīng)，修正偏差，才是我們的最終目標(biāo)。北京夢潮信服科技有限公司編制第11頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)2.1.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試結(jié)果如圖5.4所示。由于手閥的開

21、度不同，有不同的控制情況，所以 各個用戶的測試數(shù)據(jù)不一定相同。酒也/京1ft口Cni談充嶙*EGan M FWC(mwrc1CvidarllRnducS也PnaiulDfFidel同閨占空比* duMGM州MECotiaMF1 1Cwiw. 1品總 口川*IniCcmgjrii|fatwrtM Canvn4L-匚山! Typ5 口x*就KMDA Tw Ccnwwi7* In?Ini圖5.4單容水箱液位調(diào)速器 PID單回路控制2.2流量PID單回路控制實(shí)驗(yàn)題目描述流量調(diào)速器控制流程圖如圖 5.5所示。采用后邊支路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，前邊支路 也是一樣的（需要高速脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算流量）。北京夢潮信服科技有限公司

22、編制第12頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)圖5.5流量調(diào)速器PID單回路控制 測點(diǎn)清單如表5.3.2所示。表5.3流量調(diào)速器PID單回路控制測點(diǎn)清單序號位號設(shè)備名稱用途原始信號類型工程量1FT02渦輪流量計(jì)給水流量4-20mAAI0 1.2m3/h2P02PWM調(diào)速器水泵速度控 制24VDCPWM01.0水介質(zhì)由泵P02從水箱V4中加壓獲得壓力，經(jīng)由流量計(jì) FT02、經(jīng)過水閥 JV2進(jìn)入水箱V2,通過手閥JV4回流至水箱V4而形成水循環(huán)；其中，給水流 量由FT02測得。本例為定值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，P02為操縱變量，F(xiàn)T02為被控變 量，采用PID調(diào)節(jié)來完成。動態(tài)點(diǎn)

23、、交互控制點(diǎn)清單如表5.4所示。北京夢潮信服科技有限公司編制第13頁共48頁（含封面）表5.4動態(tài)點(diǎn)、交互控制點(diǎn)清單名稱數(shù)據(jù)類型功能描述P02調(diào)速器I/O實(shí)型PWM控制水泵功率FT02渦輪流量計(jì)雙整型顯示流量計(jì)流量，高速計(jì)數(shù)SP調(diào)節(jié)器設(shè)定值DBL目標(biāo)流量值，實(shí)際流量跟蹤目標(biāo) 值P調(diào)節(jié)器比例系數(shù)DBL可改寫，控制參數(shù)MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)I調(diào)節(jié)器積分系數(shù)DBL可改寫，控制參數(shù)D調(diào)節(jié)器微分系數(shù)DBL可改寫，控制參數(shù)2.2.2實(shí)驗(yàn)編程1、編程分析：支路流量PID控制回路，需要的I/O量:流量模擬值、水泵驅(qū)動控制值PWM。界面內(nèi)部量：目標(biāo)設(shè)定值、實(shí)際液位顯示值PID參數(shù)量：比例

24、系數(shù)、積分時間、微分時間。其他參考單容液位控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3、計(jì)算過程4、Silk2000采集的電流值范圍為0-20mA, 12位分辨率，對應(yīng)的數(shù)字量 4096,我們將其轉(zhuǎn)換成百分值參與 PID計(jì)算，傳感器的測量量程為0-1.2m3/h 的水流量，傳感器模擬信號是 4-20mA,程序中百分比減去了 820（4mA對應(yīng) 值），在除以量程3276 （4096-820的值）乘以100轉(zhuǎn)換成液位量程工程的百分 比，乘以1.2得實(shí)際管道流量。設(shè)定值乘以83.3得百分值參與PID運(yùn)算。PID 輸出0-100的值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成標(biāo)定值（01.0）送入PWM脈寬調(diào)制的輸入端。（如果輸出想要的電壓值（0-5V）請調(diào)用

25、模擬量輸出功能塊） 3、范例程序設(shè)定值Gail噎定百分值度也廓出值程序框圖1|流量采黑SS字星SubtractlConcertData Type Cen白事第iDivide-3276 0CofistamlConslantT北京夢潮信服科技有限公司編制第14頁共48頁（含封面）MCG10型小型過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)維護(hù)與實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)圖5.6 流量控制程序圖實(shí)驗(yàn)接線上端一律為兩戰(zhàn)制傳感甥，接 統(tǒng)方式弁HRLTl, AI通道任選舞西迭I劃&迭出遺&咫延1念LT1+F24VLT1-FGNDLT2+F PSLT2-P01+LT3+P01-LT3-P02+PT1+PQ2-PT1-XY24PT2+VGNDPT2-XVOLFT1+m2選擇V3進(jìn)水需要開啟XV02電動閥圖5.7流量控制實(shí)驗(yàn)接線圖操作步驟和調(diào)試1、選擇實(shí)驗(yàn)支路，關(guān)閉JV11, JV6, JV7, JV8, JV9,打開JV2,半開 JV4模擬負(fù)載大?。ㄒ话阍?50%-70%）。2、按照實(shí)驗(yàn)接線要求