自控实践报告

福州大学至诚学院《自动控制系统认识实践》题目：自动控制系统认识实践姓名：学号：系别：电气工程系专业：电气工程及其自动化年级：2009起讫日期：2012年1月9日~1月13日指导教师：目录1、自动控制系统认识实践任务书 (2)2、认识实践目的和目标 (3)3、实践内容 (3)4、实践总结 (14)5、实践心得体会 (15)6、参考文献 (15)自动控制系统认识实践任务书一．实验课程简介《自动控制系统认识实践》是电气工程与自动化类专业的一门重要的专业实践选修课，是计算机控制、电气控制与PLC、过程控制、组态软件、计算机控制、数据通信与计算机网络等多学科的交叉综合应用实践，着重养学生的实践和综合应用能力，开拓学生学习积极性、主动性，为今后从事自动化系统打下良好的基础。

二．实验课程目标与基本要求1）通过学习，让学生自己动手实践，实现自动控制系统严格规范的训练，使学生掌握自动控制系统的基本方法和基本技能。

2）通过学习，培养学生提出问题，查阅资料，设计方案，动手实践，观察现象，分析结果的能力，达到学生解决基本系统设计问题的学习目标。

三．实践方法该课程实践以演示和验证为主。

学习自动控制系统的调试和分析。

四、实践内容1、观看自动化流水线影像资料;2、熟悉Me093399型机电一体化教学系统；Me093399型机电一体化教学系统是以工业生产中的自动化装配生产线为原型开发的教学、实验、实训综合应用平台。

本装置采用铝合金结构件搭建各分站主体设备，选取多种机械传动方式实现站间串联，整体生产线充分展现了实现工业生产中的典型部分。

系统控制过程中除涵盖多种基本控制方法外，还凸现组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等先进技术，为培养现代化应用型人才创设了完整、灵活、模块化、易扩展的理想工业场景。

完成本实训项目涉及到现场所需的诸多综合技术应用，如：机械传动技术、电气控制技术、气动与液压技术、传感器的应用、PLC控制技术、过程控制技术和现代化生产中的组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等。

在项目设计时应由易到难，逐步深入，可从单站开展入手，到现场总线控制和对整个模拟生产线的实时监控。

3、工业全数字交流（直流）调速系统实践：包括PLC、触摸屏与6SE70构成的控制系统实验；组态软件WinCC组态实验；S7-300与6SE70交流变频装置实验。

4、基于西门子PLC的过程控制系统实践。

以上实践的详细内容参考实验大纲和相关实验说明书。

1、认识实践目的和目标《自动控制系统认识实践》是电气工程及其自动化专业的一门重要的专业实践选修课，着重养学生的实践和综合应用能力，开拓学生学习积极性、主动性，为今后从事自动化控制系统打下良好的基础。

实验课程目标与基本要求1）通过学习，让学生自己动手实践，实现自动控制系统严格规范的训练，使学生掌握自动控制系统的基本方法和基本技能。

2）通过学习，培养学生提出问题，查阅资料，设计方案，动手实践，观察现象，分析结果的能力，达到学生解决基本系统设计问题的学习目标。

2、实践内容1、自动化学科概论老师介绍了自动化学科概论。

自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。

作为一个系统工程，它由5个单元组成：①程序单元。

决定做什么和如何做。

②作用单元。

施加能量和定位。

③传感单元。

检测过程的性能和状态。

④制定单元。

对传感单元送来的信息进行比较，制定和发出指令信号。

⑤控制单元。

进行制定并调节作用单元的机构。

自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、实验室自动化和家庭自动化等。

从自动化科学与技术学科的层面来审视、介绍了本科自动化专业所要学习的内容。

通过这里的介绍，使我们较深入地理解：(1)自动化的内涵、外延与定位；(2)自动化科学与技术的基本原理与核心概念；(3)自动化学科的知识体系、知识元及其相互关系；(4)自动化专业的课程体系、主要课程及其相互关系；(5)自动化科学技术、自动化专业与相关科学技术、相关专业之间的联系与区别，并对现代自动化科学与技术的发展有一个大概的了解2.数字化PID控制系统1.老师还介绍了PID的相关知识。

PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、微分控制的简称。

在自动控制领域中，PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

PID 控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差，利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。

图1是常规PID 控制系统的原理图。

图1其中虚线框内的部分是PID 控制器，其输入为设定值 )(t r 与被调量实测值)(t y 构成的控制偏差信号)(t e :)(t e =)(t r -)(t y (1)其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合，也即PID 控制律：])()(1)([)(0⎰++=t D I P dt t de T dt t e T t e K t u (2)式中，P K 为比例系数；D T 为积分时间常数；D T 为微分时间常数。

根据被控对象动态特性和控制要求的不同，式(2)中还可以只包含比例和积分的PI 调节或者只包含比例微分的PD 调节。

下面主要讨论PID 控制的特点及其对控制过程的影响、数字PID 控制策略的实现和改进，以及数字PID 控制系统的设计和控制参数的整定等问题。

2.数字PID 控制算法在连续生产过程控制系统中，通常采用如图1所示的PID 控制，其对应的传递函数表达式为)11()()(s T s T K s E s U d i p ++= (7)对应的控制算法表达式为])()(1)([)(0⎰++=t d i P dtt de T dt t e T t e K t u (8) 式中，P K 为比例增益；i T 为积分时间常数；d T 为微分时间常数；)(t u 为控制量；)(t e 为被控量与设定值 )(t y 的偏差。

为了便于计算机实现PID 算法，必须将式(3)改写为离散（采样）式，这可以将积分运算用部分和近似代替，微分运算用差分方程表示，即∑⎰=≈k j t j Te dt t e 00)()( (9)Tk e k e dt t de )1()()(--≈ (10) 式中，T 为采样周期；k 为采样周期的序号（k=0,1,2...）；()e k 和(1)e k -分别为第和第k 个采样周期的偏差。

将式(9)和式(10)代入式(8)可得相应的差分方程，即⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑=)]1()([)()()(0k e k e T T j e T T k e K k u d k j i P (11)式中，)(k u 为第 k 个采样时刻的控制量。

如果采样周期T 与被控对象时间常数比较相对较小，那么这种近似是合理的，并与连续控制的效果接近。

模拟调节器很难实现理想的微分dt t de /)(，而利用计算机可以实现式(10)所表示的差分运算，故将式(11)称为理想微分数字PID 控制器。

基本的数字PID 控制器一般具有以下两种形式的算法。

图2 位置型算法流程图(1)位置型算法模拟调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量 u 都对应于执行机构（如调节阀）的位置。

由式(11)可知，数字控制器的输出控制量)(ku也和阀门位置相对应，故称为位置型算式（简称位置式）。

相应的算法流程图如图2所示。

由图2可以看出，因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加，因此，利用计算机实现位置型算法不是很方便，不仅需要占用较多的存储单元，而且编程也不方便，因此可以采用其改进式——增量型算法来实现。

（2）增量型算法根据式(11)不难得到第（k-1）个采样周期的控制量，即⎭⎬⎫⎩⎨⎧---++-=-∑-=)]2()1([)()1()1(10k e k e T T j e T T k e K k u d k j i P (12) 将式(11)与式(12)相减，可以得到第k 个采样时刻控制量的增量，即)]2()1(2)([)()]1()([)]2()1(2)([)()1()()1(-+--++--=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+--++--=-∆k e k e k e K k e K k e k e K k e k e k e T T k e T T k e k e K k u d i P d i P (13)式中，p K 为比例增益；i K 为积分系数，i p i T T K K /=；d K 为微分系数，T T K K d p d /=。

由于式(13)中对应于第k 个采样时刻阀门位置的增量，故称式(13)为增量型算式。

由此，第k 个采样时刻实际控制量为)()1()(k u k u k u ∆+-= （14）为了编写程序方便，将式(13)改写为)2()1()()(210-+-+=∆k e q k e q k e q k u （15） 式中，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=T T T T K q d i p 10 ；⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=T T K q d p 211；T T K q d p =1。

由此可见，要利用)(k u ∆和)1(-k u 得到)(k u ，只需要用到)1(-k e , )2(-k e 和)1(-k u 三个历史数据。

在编程过程中，这三个历史数据可以采用平移法保存，从而可以递推使用，占用的存储单元少，编程简单，运算速度快。

增量型算法的程序流程图如图3所示。

增量型算法仅仅是在算法设计上的改进，其输出是相对于上次控制输出量的增量形式，并没有改变位置型算法的本质，即它仍然反映执行机构的位置开度。

如果希望输出控制量的增量，则必须采用具有保持位置功能的执行机构。

数字PID 控制器的输出控制量通常都是通过D/A 转换器输出的，在D/A 转换器中将数字信号转换成模拟信号（4～20 mA 的电流信号或0～5 V 的电压信号），然后通过放大驱动装置作用于执行机构，信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。

因此，D/A 转换器具有零阶保持器的功能。

图3 增量型算法流程图特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。