1、微機(jī)控制技術(shù)報(bào)告學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院 班級(jí)：自1305班 姓名：聞福陽(yáng) 學(xué)號(hào): U201314658 組員：何 濤華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2016年6月10號(hào)實(shí)驗(yàn)一 輸入/輸出通道讀寫(xiě)與工程數(shù)據(jù)測(cè)量標(biāo)定1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)方法。掌握電腦與A/D、D/A模塊之間的連接與通訊。掌握實(shí)際工程量與A/D、D/A數(shù)字量，模擬量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。學(xué)習(xí)組態(tài)軟件MCGS的使用2、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀表CS4000多功能過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與使用。2.用組態(tài)軟件MCGS組態(tài)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電腦與A/D、D/A模塊的正常通訊。3.標(biāo)定水箱液位，擬合出

2、最佳工作特性曲線。4.用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的檢測(cè)界面，在界面以0100%的范圍設(shè)定D/A端口控制量、實(shí)時(shí)顯示A/D端口數(shù)字量，以及顯示經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的水箱液位值。4、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及具體步驟1.統(tǒng)計(jì)并計(jì)算水位與A/D數(shù)值之間的關(guān)系根據(jù)A/D,D/A測(cè)試。在水箱高度0cm27cm范圍內(nèi)，分成若干等間距點(diǎn)，由低到高，對(duì)應(yīng)液位高度記錄對(duì)應(yīng)檢測(cè)值；再由高到低，做同樣的檢測(cè)，如此反復(fù)多次。得出液位檢測(cè)值數(shù)據(jù)用表格記錄。將數(shù)據(jù)錄入到excel表格中，進(jìn)行散點(diǎn)圖繪制，并進(jìn)行直線擬合，得出液位與A/D數(shù)值之間的關(guān)系。具體表格如下圖所示：4#水箱液位標(biāo)定 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：7#液位0369121518212427A/D數(shù)

3、值918.61123.41353.21575.01795.42030.42257.12475.82692.62913.0液位2724211815129630A/D數(shù)值2912.42710.42477.12236.42034.01798.41589.11350.91133.8918.6得到的線性關(guān)系為：H4 = 0.0134* AD4 12.234式中H4代表液位，AD4代表A/D數(shù)值2. 用戶界面的設(shè)計(jì)及參數(shù)啟動(dòng)腳本的設(shè)置如下圖所示：界面中控制信號(hào)MV4的初始值設(shè)定為0,輸出H4初值設(shè)定為0. 循環(huán)腳本的設(shè)置如下圖所示：界面控制信號(hào)的數(shù)值MV4與其相應(yīng)百分比信號(hào)MV4_1的關(guān)系為：MV4=MV

4、4_1*0.16+4液面高度H4與水箱液位A/D檢測(cè)量AD4的關(guān)系為：H=0.0134*AD4-12.234由此可設(shè)計(jì)用戶界面窗口如下圖所示：進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試：實(shí)驗(yàn)中所用變量：5 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 實(shí)驗(yàn)裝置很高大上，整個(gè)實(shí)驗(yàn)也挺好玩的，充滿了樂(lè)趣，實(shí)驗(yàn)本身來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)答，主要是要搞清楚變量的設(shè)置，及其各個(gè)量控制之間的關(guān)系，對(duì)于自控原理的認(rèn)識(shí)又豐富了很多實(shí)驗(yàn)二 液位數(shù)字PID控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)數(shù)字PID算法的程序設(shè)計(jì)。掌握PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性影響的規(guī)律。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀表CS4000多功能過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.水箱液位PID控制器“手動(dòng)”與“自動(dòng)”功能的程

5、序設(shè)計(jì)2. 研究并總結(jié)PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性影響的規(guī)律。四、 實(shí)驗(yàn)原理由文獻(xiàn)，模擬過(guò)程控制的PID控制算式為 (2)對(duì)應(yīng)的數(shù)字PID控制算式為 (3)若令，則上式寫(xiě)成 (4)上述式子中，u(t)t時(shí)刻的控制輸出（控制量），KP比例控制系數(shù)，TI積分時(shí)間常數(shù)，TD微分時(shí)間常數(shù)，KI積分控制系數(shù)，KD微分控制系數(shù)，T采樣時(shí)間，u(k)第k時(shí)刻的控制輸出（控制量）。為了實(shí)現(xiàn) 可以在工程的“啟動(dòng)策略”中初始化相關(guān)變量。在“循環(huán)策略”中完成PID算式。用于PID運(yùn)算的檢測(cè)值PV4應(yīng)該用液位高度除50，用于PID運(yùn)算的設(shè)定值SP4_1應(yīng)該是輸入設(shè)定值SP4除以50，(為什么除以50？因?yàn)樵O(shè)備中，液

6、位傳感器的模擬量420mA電流對(duì)應(yīng)050cm檢測(cè)高度)PID控制輸出UK要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成420輸出范圍的變量MV4：要注意手動(dòng)輸出控制量MV4_1為0100%，與D/A輸出變量MV4的關(guān)系轉(zhuǎn)換五、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 連線模入模塊7017模出模塊7024模擬信號(hào)輸入通道1-通道10模擬信號(hào)輸出通道12-通道15通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道9通道10通道11通道12通道13通道14通道15通道16通道17通道18通道19通道20通道21通道22通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道9通道10通道11通道12通道13通道14通道15通道16通道17通道18通道19通道

7、20通道21通道22通道1è1號(hào)水箱液位 通道2è2號(hào)水箱液位通道3è3號(hào)水箱液位 通道4è4號(hào)水箱液位通道5è加熱溫度 通道6è短滯后溫度通道7è長(zhǎng)滯后溫度 通道è電磁流量通道9è渦輪流量 通道10è5號(hào)水箱液位通道11è6號(hào)水箱液位 通道12è調(diào)節(jié)閥控制 通道13è變頻器控制 通道14è加熱控制2. 電氣柜、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、設(shè)備對(duì)象的準(zhǔn)備電氣柜開(kāi)機(jī)操作：將控制柜上“檢測(cè)設(shè)備”、“變頻器手自動(dòng)切換” 旋至“開(kāi)”的狀態(tài)，其余旋鈕）旋至“關(guān)”的狀態(tài)。打開(kāi)“漏電保護(hù)空

8、氣開(kāi)關(guān)”，按下“啟動(dòng)”按鈕。“啟動(dòng)”綠燈點(diǎn)亮。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電： “對(duì)象信號(hào)面板”、“DDC模塊信號(hào)面板”開(kāi)關(guān)分別旋至“開(kāi)”的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象準(zhǔn)備：本次實(shí)驗(yàn)，使用4#水箱，水流副管路。檢查紅色手動(dòng)閥所在的副管路，全開(kāi)進(jìn)入4#水箱的全部紅色手動(dòng)閥，進(jìn)入其它水箱的紅色手動(dòng)閥全關(guān)閉。3. 軟件組態(tài)在MCGS組態(tài)環(huán)境下，打開(kāi)“微機(jī)控制實(shí)驗(yàn)二.mcg”程序。在“設(shè)備窗口”已經(jīng)組態(tài)好設(shè)備驅(qū)動(dòng)，在“用戶窗口”已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶窗口“PID控制”窗口，該窗口放置了一個(gè)些簡(jiǎn)單的液位控制流程界面控件。通過(guò)查看控件屬性了解各控件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變量。“手動(dòng)/自動(dòng)”按鈕實(shí)現(xiàn)PID控制的手動(dòng)、自動(dòng)切換；該按鈕的基本屬性設(shè)置該按鈕對(duì)應(yīng)

9、一個(gè)開(kāi)關(guān)變量AUTO4，鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕將使AUTO4對(duì)應(yīng)0或1，要求AUTO4=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)功能；AUTO4=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功能。KP輸入框比例系數(shù)TI輸入框積分時(shí)間常數(shù)TD輸入框微分時(shí)間常數(shù)T輸入框采樣周期MV輸入框手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由用戶設(shè)置的輸出量（0100%）SP輸入框自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由用戶設(shè)置的PID控制器的設(shè)定值。設(shè)定范圍（050cm）。PV顯示框?qū)崟r(shí)顯示4#水箱液位。顯示（050cm）。將該窗口設(shè)為啟動(dòng)窗口在實(shí)驗(yàn)一中，我們已經(jīng)進(jìn)行了液位檢測(cè)與控制的實(shí)驗(yàn)。其中使用的變量如下。液位檢測(cè)相關(guān)變量：液位采樣值（從泓格i-7017端口讀入的數(shù)值）對(duì)應(yīng)的實(shí)際液位高度（050cm）標(biāo)定的第一個(gè)點(diǎn)AD4_

10、MINH4_MIN數(shù)值型標(biāo)定的第二個(gè)點(diǎn)AD4_MAXH4_MAX實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)AD4H4控制輸出相關(guān)變量：用戶界面手動(dòng)輸出控制量（0100%）MV4_1數(shù)值型對(duì)應(yīng)設(shè)備1-【泓格i-7024】端口輸出變量(420mA)MV4首先，在“PID控制”窗口的屬性中，添加“啟動(dòng)腳本”、“循環(huán)腳本”，界面能控制水流量，檢測(cè)顯示等功能。（實(shí)驗(yàn)一已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)）為了實(shí)驗(yàn)PID算法程序設(shè)計(jì)，我們定義如下一些變量用于設(shè)計(jì)PID控制運(yùn)算相關(guān)變量，需要將這些變量添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶界面輸入的設(shè)定值(050cm)SP4數(shù)值型用于PID運(yùn)算的相應(yīng)設(shè)定值（01）SP4_1比例系數(shù)KP4積分時(shí)間常數(shù)TI4微分時(shí)間常數(shù)TD4采樣周期T4

11、誤差當(dāng)前值、以及前2周期的誤差值EK4、EK4_1、EK4_2歸一處理后，用于PID內(nèi)部運(yùn)算的實(shí)時(shí)采樣變量(01)PV4PID內(nèi)部運(yùn)算產(chǎn)生的控制變量(01)UK4上一周期的控制量UK4_1偏差累計(jì)值SUM_EK4手動(dòng)/自動(dòng)切換變量AUTO4開(kāi)關(guān)型實(shí)驗(yàn)中用到的變量如下圖：4. 腳本程序設(shè)計(jì)在工程“運(yùn)行策略”頁(yè)面的“啟動(dòng)策略”中，插入“策略行”，添加“腳本程序”構(gòu)件。在該“腳本程序”中，初始化相關(guān)變量。在工程“運(yùn)行策略”頁(yè)面的“循環(huán)策略”中，插入“策略行”，添加“腳本程序”構(gòu)件。在該“腳本程序”中，編寫(xiě)PID程序。 啟動(dòng)腳本如下：循環(huán)腳本如下：運(yùn)行結(jié)果：可看出最后頁(yè)面趨于穩(wěn)定，但與設(shè)定值存在一定的

12、誤差。PID控制是根據(jù)偏差的比例（p）積分（i）微分（d）進(jìn)行控制，根據(jù)控制規(guī)律，其中Kp為比例增益，T1為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，u（t）為控制量，e（t）為偏差。PID控制的規(guī)律：1， 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除誤差，Kp的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。2， 積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因此只要有足夠的時(shí)間，積分控制就能完全消除誤差，積分作用過(guò)強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。3， 微分作用可以減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增高，同時(shí)加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改變系統(tǒng)性能。選做題：通過(guò)測(cè)試4#水箱的飛升曲線，得到4#水箱的數(shù)學(xué)模型大約如下：（傳遞函數(shù)）我們采用振蕩法確定PID控制的參數(shù)。Simulink圖如下：1， 首先只采用先只采用比例控制，然后使 KP從 0 增加到臨界值 Kr，這里臨界值是指系統(tǒng)首次出現(xiàn)持續(xù)振蕩時(shí)的增益值P=1.8時(shí)出現(xiàn)臨界振蕩，參數(shù)設(shè)置如下：此時(shí)的示波器輸出為：可以得出Pr=1.82， 對(duì) PI 參數(shù)進(jìn)行了整定。先讓積分常數(shù)為零，比例系數(shù) KP由小增加到 0.03 時(shí)，示波器觀察輸出電壓開(kāi)始出現(xiàn)等幅振蕩，振蕩周期為 6s參數(shù)