自控系统理论实验性能分析

摘要

在现代工程中的许多领域中，为了减轻对人们的劳动强度、提高控制质量以及完成人工无法实现的任务，需要由机器来代替人的工作，实现对生产过程及各种设备的自动控制。实际上，自动控制技术已经渗透到人类活动的各个方面。自动控制技术最显著的特征就是通过对各种机器，各种物理参量、工业生产过程的控制直接造福于社会。

关键字：质量、代替、参量、造福社会

目录

摘要………………………………………………………………………………………

第1章前言……………………………………………………………………

1.1课题背景………………………………………………………………………

1.2本文的研究内容……………………………………………………………………

第2章概述与时域分析……………………………………………………………….

2.1 自动控制基本概念自动控制系统的基本控制方式………………………………

2.2 自动控制系统的分类……………………………………………………………

2.3 对控制系统的性能要求……………………………………………………….

2.4 系统性能指标…………………………………………………………………

2.5 一阶系统性能分析………………………………………………………….

2.6 二阶系统性能分析…………………………………………………………

2.7 控制系统稳定性分析………………………………………………………….

第3章实验原理…………………………………………………………………….

3.1 控制系统典型环节的模拟………………………………………………………

3.2 二阶系统的性能瞬时响应分析………………………………………………….

第4章液位控制系统…………………………………………………………………

4.1 液位控制…………………………………………………………………………

4.2 系统工作原理……………………………………………………………………

4.3 控制回路硬件图………………………………………………………………

4.4 系统硬件设计…………………………………………………………………

4.5 控制系统的结构组成…………………………………………………………

4.6 设备连接…………………………………………………………………………

4.7 PID控制程序设计.................................................

第5章自动控制毕业论文设计总结………………………………………………….

谢辞…………………………………………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………………………

第1章前言

1.1 课题背景

控制论一词 Cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。因此“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。

1）1959 年，苏联学者庞德亚金(L.S. Pontryagin)等学者创立了极大值原理，并找出最优控制问题存在的必要条件，该理论解决控制量有约束情况下的最短时间控制问题，提供方法。 2）1953-1957 年间，美国学者贝尔曼（R.Bellman）创立了解决最优控制问题的动态规律，并依据最优性原理，发展了变分学中的 Hamilton -Jaccobi 理论 3）1959 年，卡尔曼（R.E.Kalman）提出了滤波器理论，1960 年卡尔曼对系统采用状态方程得描述方法，提出了系统的能控性、能观测性。证明了二次型性能指标下线性系统最有控制的充分条件，进而提出了对于估计与预测有效地卡尔曼滤波，证明了对偶性。 4）罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 5）20 世纪 70 年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，https://www.360docs.net/doc/3812772981.html,ndau）在自适应控制理论和应用反面做出了贡献。 4、主要成果现代控制理论的提出，促进了非线性控制、预测控制、自适应控制、鲁棒性控制、智能控制等分支学科的发展。进而为解决因工业过程的复杂性而带来的困难。

1）60 年代初期，Smith 提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。 2）1965 年 Zadeh 创立模糊集和论，未解决负载系统的控制问题提供了强有力的数学工具。 3）1966 年,Mendel 提出了“人工智能控制”的概念。 4）1967 年，Leondes 和 Mendel 正式使用“智能控制”，标志着智能控制思路已经形成。70 年代初期，傅京孙、Gloriso 和 Saridis 提出分级递阶智能控制。并成功应用于核反应、城市交通控制领域。 5）年代中期， 70 Mamdani 创立基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功用于工业控制。 6）80 年代以来专家系统、神经网络理论及应用对智能控制器着促进作用现代控制理论、经典控制理论和大系统理论。

1.2本文的研究内容

1）最基本的控制方式有开环控制和闭环控制。开环控制实行起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度相对较低。自动控制原理中主要讨论闭环控制方式，其只要特点是

抗扰动能力强，控制精度高，但稳定性问题较为突出。

2）根据需要，可将自动控制系统按照不同的分类方法进行归类，本文主要讨论线性定常系统。

3）本文主要介绍经典控制系统。

4）一阶系统和二阶系统是时域分析法重点分析的两类系统，一般称为低阶系统。对于一般的高阶系统，可用劳斯判据来判断系统的稳定性，用终值定理来计算稳态误差。如果一个高阶系统的特性近似于一个一阶或者二阶系统，则可在一定的条件下，先将其降阶为一阶或者二阶系统，然后按一阶或者二阶系统进行动态分析。

5）系统能正常工作的首要条件是系统稳定。劳斯判据是判断系统稳定性的一种常用的方法。若系统属于结构不稳定，则可通过附加控制装置的方法，使系统变为结构稳定系统。例如用比例反馈来包围有积分作用的环节，从而改变环节的积分性质，以及在前向通道中增加比例微分环节等方法。

第2章概述与时域分析

本文将简介有关自动控制的一般概念、自动控制系统的组成和分类、对控制系统的性能要求以及有关自动控制理论的发展概况。

2.1 自动控制的基本概念及自动控制系统的基本控制方式

1. 自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是得表征受控对象物理特征的被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化的过程，如图：

图中，由控制器与检测元件组成的控制装置以及受控对象为物理装置，而给定值和被控制量均为一定形式的物理量。

由自动控制系统来实现自动控制的目的，自动控制系统由控制装置和受控对象构成。对自动控制系统的性能进行分析和设计则是自动控制院里的主要任务。

2. 自动控制系统的基本控制方式

自动控制系统的基本控制方式如下所述。

1）开环控制

控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反相联系时，称为开环控制，相应的控制系统成为开环控制系统。

开环控制的特点是，系统结构和控制过程均很简单，但由于这类系统抗干扰能力较差，控制精度较低，因而限制了它的应用范围。开环控制一般用于控制性能要求不高的场合。

2）闭环控制

控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反相联系，既有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。

闭环控制系统具有如下的特点：

a 由于系统的控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的，故这种控制常称为偏差控制，又称反馈控制。

b 这类系统具有传输两种信号的通道：有给定值至被控量的通道称为前向通道；由被控量至系统输入端的通道称为反馈通道。

c 不论取什么物理量进行反馈，作用在反馈环内前向通道上的绕动所引起的被控量的偏差值，都会得到减小或消除，是得系统能基本控制这些绕动。正是由于这种特性，是得闭环控制系统在控制工程中得到了广范的应用。但若涉及调试不当，闭环控制系统易产生震荡甚至不能正常工作。

自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。

3）复合控制

反馈控制是在外部（给定或绕动）作用下，系统的被控量发生变化后才进行相应调节和控制的，在受控对象具有较大时滞的情况下，其控制作用难以及时影响被控制量，进而形成快速有效地反馈控制。前馈补偿控制则是在测量出外部作用的基础上，形成与外部作用相反的控制量，该控制量与相应的外部作用共同作用的节骨，使被控制量基本不受影响，即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生的控制。在这种控制方式中，由于被控量对控制过程不产生任何影响，故它也属于开环控制。

2.2 自动控制系统的分类

自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。

1）线性系统和非线性系统

由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统，由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。

2）定常系统和时变系统

若系统方程的系数不是时间变量的函数，则称此类系统为定常系统，否则称为时变系统。

3）连续系统和离散系统

4）恒值系统、随动系统和程序控制系统

2.3 对控制系统的性能要求

在控制过程中，一个理想的控制系统，始终应使其（输出）被控量与（输入）给定值对应相等。但是，由于机械部分质量、惯量的存在，电路中储能元件的存在以及能

源功率的限制，是得运动部件的加速受到控制，其速度和位置难以瞬时变化。所以，当给定值变化时，被控量不可能立即跟上给定值的变化，而需要经过一个过渡过程。所谓动态过程就是指系统受到外加信号（给定值或扰动）作用后，被控量随时间变化的全过程。

动态过程可以反映系统内在的性能好坏，而常见的评论系统优劣的性能指标也就是动态过程中定义出来的。对系统的基本要求有三个方面。

1）稳定性

稳定性一般可以这样来表述：系统受到外作用后，其动态过程的震荡倾向和和系统恢复平衡的能力。一个处于某平衡状态的线性定常系统，若在外部作用下偏离了原来的平衡状态，而当外部作用消失后，系统仍能回到原来的平衡状态，则称该系统是稳定的。否则，系统不稳定，不稳定的系统是无法正常工作的。

2）快速性

快速性可以通过动态过程时间的长短来表征，过渡时间时间越短，表明快速性越好，反之亦然。

3）准确性

准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值Ess来表征的。途加恒值给定信号时准确性反映了系统在一定外部信号作用下的稳定精度。若系统的最终误差为零，则称为无误差系统，否则称为有差系统。

稳定性、快速性和准确性往往是相互制约的。

2.4 系统控制指标

控制系统的动态性能，可以通过系统的动态响应过程来表现，而对系统的评价也是透过这一过程来进行的。系统的动态响应不仅取决于系统本身的结构参数，还与系统的初始状态以及输入信号有关。典型的输入信号一般应具备以下两个条件：

a 这些信号具有一定代表性，且其数学表达式简单，一边与数学分析与处理。

b 这些信号易于在实验室条件下获得。

在控制工程中常采用以下五种信号作为典型的输入信号。

1）阶跃信号

阶跃信号表示瞬间突变，然后保持的信号。当Ro=1时所描述的信号称为单位阶跃信号。

2）斜坡信号

斜坡信号表示由零值开始，随时间t线性增长的信号。当νo=1时所描述的信号称为

单位斜坡信号。

3）抛物线信号

抛物线信号亦称等加速度信号，它表示随时间t以等加速度增长的信号。当αo=1时所描述的信号称为单位抛物线信号，亦称单位等加速度信号。

4）脉冲信号

脉冲信号是一个持续时间极短的信号。

5）正弦信号

正弦信号是一种周期变化的信号，在交流供电电源，信号的频谱分析中主要用到这种信号。

控制系统的性能指标分为动态性能和稳态性能指标，动态性能指标又可分为跟随性能指标和抗扰性能指标，在自控原理中所讨论的系统动态性能指标，一般指跟随性能指标。

跟随性能指标是在给定信号r（t）的作用下，系统输出c（t）的变化情况，抗扰性能指标是指控制系统的稳态运行中受到扰动作用，经历一段动态过程后，又能达到新的稳态，则系统在扰动作用下的变化情况，稳态性能指标指控制系统的稳态性能的稳态精度，常用稳态误差еss来表述。

2.5 一阶系统性能分析

当控制系统的数学模型为一阶微分方程式时，称其为一阶系统。

在单位阶跃信号作用下输出响应称为单位阶跃响应，系统在单位斜坡信号作用下输出响应称为单位斜坡相应，系统在单位脉冲信号作用下的输出响应称为单位脉冲响应，在第三章有原理图。

2.6 二阶系统性能分析

由二阶微分方程描述的系统成为二阶系统，对于一般的二阶系统来说，其系统参数与标准式的参数ξ、ωn之间有着对应的关系，这样，只要分析出二姐系统动态性能指标与标准式参数ξ、ωn间的关系，便可由一般二阶系统的参数求得其动态性能指标。二阶系统的单位阶跃响应分为⑴ξ＞1 过阻尼，系统输出随时间t单调上升，无震荡和超调；⑵ξ=1 临界阻尼，输出响应曲线无震荡和超调，系统稳定；⑶0＜ξ＜1欠阻尼，二阶系统在欠阻尼的响应为衰减振荡波形，必然存在超调；⑷ξ=0，系统的单位阶跃响应为等幅振荡波形。

一阶和二阶系统是时域分析法重点分析法的两类系统，一般称为低阶系统。对于一般的高阶系统，可用劳斯判据系统的稳定，用终值定理来计算稳态误差。如果一个高

阶系统的特性近似于一阶或二阶系统，则可在一定的条件下，先将其降阶为一阶或者二阶系统

2.7 控制系统稳定性分析

系统稳定性、快速性和稳态性能对系统参数的要求是矛盾的，在系统参数的要求是矛盾的，在系统参数的选择无法同时满足几方面的性能要求时，可采用在前向通道中加比例微分环节以及增加输出量的微分负反馈措施来改善系统动态性能，使系统能同时满足几方面的要求。

系统能正常工作的首要条件是系统稳定。劳斯判据是判断系统稳定性的一种常用方式。若系统属结构不稳定，则可通过附加控制装置的方法，使系统变为结构稳定系统。例如用比例反馈来包围有积分作用的环节，从而改变环节的积分性质，以及在前向通道中增加比例微分环节的方法。

劳斯稳定判据：若特征方程式的各项系数都大于零（必要条件），且劳斯表中第一列元素均为正值，则所有的特征根均位于s左半平面，相应的系统是稳定的。否则，系统为不稳定或临界稳定，实际上，临界稳定也属于不稳定。劳斯表中第一列元素符号改变的次数等于该特征方程的正实部根的个数。

第3章实验原理

3.1.1实验目的

1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法；

2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性；

3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。 3.1.2 实验仪器

1、控制理论电子模拟实验箱一台；

2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；

3、数字万用表一只；

4、各种长度联接导线。 3.1.3 实验原理

以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图3-1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是R 、C 构成。

Z2

图3-1-1 运放反馈连接

基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图3-1得：

21

()o i u Z

G s u Z =

=-（1-1） 由上式可以求得下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 1、比例环节

实验模拟电路见图3-1-2所示

R

图3-1-2 比例环节模拟电路及响应曲线

传递函数：2

1

()R G s K R =-

=- 阶跃输入信号：-2V 实验参数：

（1） R 1=100K R 2=100K （2） R 1=100K R 2=200K 2、 惯性环节

实验模拟电路见图3-1-3所示

图3-1-3 惯性环节模拟电路及响应曲线

传递函数：2

212211211()11

R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++

阶跃输入：-2V

实验参数：

（1）R

1=100K R

2

=100K C=1μf

（2）R=100K R

2

=100K C=2μf

3、积分环节

实验模拟电路见图3-1-4所示

图3-1-4 积分环节模拟电路及响应曲线

传递函数：2

1111

()Z CS

G s

Z R RCS TS

=-=-=-=

阶跃输入信号：-2V

实验参数：

（1）R=100K C=1μf

（2）R=100K C=2μf

4、比例微分环节

实验模拟电路见图3-1-5所示

图3-1-5 比例微分环节模拟电路及响应曲线

传递函数：2

22111

1

1()(1)(1)1

D Z R R

G S R CS K T S R Z R CS R CS

=-

=-=-+=-++

其中 T D =R 1C K=1

2

R R 阶跃输入信号：-2V 实验参数：

（1） R 1=100K R 2=100K C=1μf （2）R 1=100K R 2=200K C=1μf 3.1.4 思 考

1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出？ 答：运算放大器开环放大倍数K0很大，运算放大器输入阻抗很高。

2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？

答：惯性环节的特点是，当输入x(t)作阶跃变化时，输出y(t)不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出y(t)随时间呈直线增长。

当t 趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当t 趋于0时，惯性环节可以近似地视为比例环节。

3.2 二阶系统的性能瞬态响应分析 3. 2. 1 实验目的

1、熟悉二阶模拟系统的组成。

2、研究二阶系统分别工作在ξ=1， 0<ξ <1， 和ξ > 1三种状态下的单

位阶跃响应。

3、分析增益K 对二阶系统单位阶跃响应的超调量σP 、峰值时间tp 和调

整时间ts 。

4、研究系统在不同K 值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

5、学会使用Matlab 软件来仿真二阶系统，并观察结果。

3. 2. 2 实验仪器

1、控制理论电子模拟实验箱一台；

2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；

3、数字万用表一只；

4、各种长度联接导线。

3. 2. 3 实验原理

图3-2-1为二阶系统的原理方框图，图3-2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R 2/R 1， T 1=R 2C 1，T 2=R 3C 2。

3-2-1 系统原理框图

图3-2-2 二阶系统的模拟电路

由图3-2-2求得二阶系统的闭环传递函

12

22

122112

/() (1)()/O i K TT U S K U S TT S T S K S T S K TT ==++++ :而二阶系统标准传递函数为

(1)(2), 对比式和式得

n ωξ==

12 T 0.2 , T 0.5 , n S S ωξ===若令则。调节开环增益K 值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率ωn 和ξ的值，可以得到过阻尼(ξ>1)、临界阻尼（ξ=1）和欠阻尼（ξ<1）三种情况下的阶跃响应曲线。

（1）当K >0.625， 0 < ξ < 1，系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：

(2) +2+=222n

n n S S )S (G ωξωω

式中图3-2-3为二阶系统欠阻尼状态下的单位阶跃响应曲线。

图3-2-3 0 < ξ < 1时的阶跃响应曲线

（2）当K =0.625时，ξ=1，系统处在临界阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：

如图3-2-4为二阶系统工作临界阻尼时的单位响应曲线。

图3-2-4 ξ=1时的阶跃响应曲线

（3）当K < 0.625时，ξ> 1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻

尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。

3. 2. 4 实验内容与步骤

1、根据图1-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：

2、令ui(t)=1V ，在示波器上观察不同K （K=10，5，2，0.5）时的单位

e

t

n o n t t u ωω-+-=)1(1)

()

1S 2.0(S 5.0K

)S (G +=

阶跃响应的波形，并由实验求得相应的σp 、t p 和t s 的值。

3、调节开环增益K ，使二阶系统的阻尼比707.02

1==ξ ，观察并记录此时的单位

阶跃响应波形和σp 、t p 和t s 的值。

4、用三角波或输入为单位正阶跃信号积分器的输出作为二阶系统的斜坡输入信号。

5、观察并记录在不同K 值时，系统跟踪斜坡信号时的稳态误差。 3. 2. 5 实验思考题

1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？

答：阶跃信号幅值的大小选择应适当考虑。过大会使系统动态特性的非线性因素增大，使线性系统变成非线性系统；过小也会使系统信噪比降低并且输出响应曲线不可能清楚显示或记录下来。

2、在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？

Z2

答：以运算放大器为核心，接反馈电路如上图所示，当Z1、Z2不等时，就是负反馈，当Z1、Z2相等时，就是单位负反馈。

第4章 液位控制系统

4.1 液位控制

液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和传统的PID 控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID 控制器的比例，积分，微分系统，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。

本课程设计所控制的是单容下水箱液位，根据控制系统要求，设计采用过程控制器件液位变送器、电动调节阀以及可编程逻辑控制器组成单回路闭环控制系统。从而熟悉PID 算法在过程控制中的应用和闭环回路调节系统的设计方法。

4.2 系统工作原理

整个液位控制系统采用典型的反馈式闭环控制，液位控制系统原理图如图

图4-2-1

为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上

用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一

个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI ）调节器，由于积分的

作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图4-2-2中的曲线①、②、③所示。

图4-2-2 P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线

图4-2-1 液位控制系统原理图

4.3 控制回路硬件图

如图4-3-1所示，水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过挡板QV16回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手挡板QV16的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。

需要全打开的手阀：QV102、QV105；

需要全关闭的手阀：QV103、QV104、QV107、QV109；

挡板开度：QV1160.5cm。

图4-3-1 单容下水箱液位调节阀PID单回路控制

4.4 系统硬件设计

根据系统的硬件回路图（图4-3-1）可作出液位控制系统的原理结构图如图4-4-1所示：

从系统的原理结构中可看出本系统的硬件部分主要包括：控制对象（上水箱）、液位

检测装置、执行装置（电动调节阀）、控制器（PLC）、上位机PC。系统结构示意框图如图

4-4-2所示：

4.5 控制系统的结构组成

如图4-5-1所示，计算机与可编程控制器构成主、从结构形式，计算机为主机，计算机控制软件完成用户界面的设计，控制算法的设计，以及完成与PLC 的串行通讯。可编程控制器为从机，并带有A/D 、D/A 转换器，计算机可通过串口读入可编程控制器中A/D 转换结果，在本系统中代表液位检测值；计算机可通过串口写出控制量到可编程控制器，由可编程控制器自动完成D/A 转换，转换结果为4~20mA 电流，控制电动流量伺服阀的开度，从而控制水箱入水量。

4.6 设备连接

设备连接图如图4-6-1所示，PLC 的模拟输入输出为标准4～20mA 电流信号，此外，标准模块伺服阀、DDM 和传感器也都为标准4～20mA 电流信号接口。转接面板提供普通导线到标准七芯电缆之间的接口。

4.7 PID 控制程序设计

PID 原理S7—200系列PLC 的PID 指令采用的是位置式输出的PID 控制算法：

u (k ) = Kc{e(k)+(Ts/Ti)*Σe(k) +(Td/Ts)* e(k) }

可得到： Mn = Kc*(SPn －PVn)+Kc*(Ts/Ti)*∑=n

k 1

(SP k －PV k )

+Kc*(Td/Ts)*[(SPn —PVn)－(SPn －PVn-1)]

串行通讯线

图4-5-1 控制系统的组成

七芯电缆

图4-6-1设备连接图

=Kc*(SPn－PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn－PVn)

+Kc*(Td/Ts)*[PV

n-1

—PVn]+Mx

式中：e = SPn－PVn

从公式中可以看出，共9个参数，即：

设定值：SPn，是控制目标值，即期望的液位值，运算时采用归一化值；

1个输入：PVn，为当前测量值，应在PID运算前，在应用程序中被归一化；

1个输出：Mn，即PID控制算法的运算结果，为归一化值；

采样时间：Ts，也是常数，单位为秒；

3个PID运算参数： Kc、Ti、Td分别为比例、积分、微分三个参数，Ti、Td的单位为分。2个中间结果参数：PVn-1为上一次的归一化测量值；Mx是计算中的中间参量，是积分之和。可见，9个参数中有：1个输出变量，1个输入变量，5个常数，2个中间变量。设定值SPn、采样时间Ts和3个PID参数共５个常数应事先确定，并在程序初始化时、或在每次执行PID模块指令前，存放到数值存储区，以供调用。

其中：Kｃ为比例系数

Ts 采样时间

T I 积分时间T

d

微分时间

SPn给定值

PVn测量值

Mn输出结果（归一化值）

需要预置五个参数：SPn Kｃ T

I T

d

Ts

(Kc、Ti、Td是要计算出的值，与被控对象的特性有关。) T

d

采样时间Ts取为0.1秒;用扩充响应曲线法将Kc、Ti、Td估算出来。

4.2 A/D、D/A转换控制环节

由于PLC处理数字量，所以要先将模拟量转化为数字量，就是要将其变成双精度数PLC 才能接受，具体见下边程序；由于调节阀的输入是连续的模拟量，需要将其经过D/A转换从PLC输出连续量。

4.3 PID控制程序

OB1

LD SM0.1 //首次扫描时SM0.1位打开，用于调用初始化子例行程序

CALL SBR_0 //调用子程序SBR_0

SBR_0

LD SM0.0 //当系统处于RUN模式时，SM0.0始终打开（既SM0.0=1）

MOVR 0.75, VD104 //装入给定值75％

MOVR 0.5, VD112 //装入回路增益0.5

MOVR 0.1, VD116 //装入采样时间0.1s

MOVR 12.0, VD120 //装入积分时间12分钟

MOVR 0.0, VD124 //关闭微分作用

MOVB 100, SMB34 //100ms放入特殊内存字节SMB34，用于控制中断0的时间间隔ATCH INT_0, 10 //调用中断程序

ENI //全局性启用中断

INT0