第一篇：水槽液位控制系統課程設計報告

摘要

本文根據液位系統過程機理，建立了單容水箱的數學模型。在設計中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識較少。并根據算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進行了系統仿真，并通過整定PID參數，同時得出了整定后的仿真曲線和實際曲線。主要內容包括：PLC的產生和定義、過程控制的發展、水箱的特性確定與實驗曲線分析，FX2系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數的整定及各個參數的控制性能的比較，應用PID控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統各個部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。PLC在工業自動化中應用的十分廣泛。PID控制經過很長時間的發展，已經成為工業中重要的控制手段。本設計就是基于PLC的PID算法對液位進行控制。PLC經傳感電路進行液位高度的采集，然后經過自動調節方式來確定完PID參數后，通過控制直流泵的工作時間來實現液位的控制。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。本次設計主要內容是利用提供的被控對象單容水槽和相關儀器儀表，設計液位控制系統，利用組態王軟件編寫控制算法實現控制系統的上位機監控。

關鍵詞：組態王，液位控制，PID算法，過程控制

一、設計任務...............................................................................3

二、實驗目的...............................................................................3

三、實驗方案...............................................................................3

四、實驗過程...............................................................................4 實驗總結......................................................................................17 參考文獻......................................................................................18 附錄..............................................................................................19

一、設計任務：

（1）液位監控：完成一個液位監控系統，要有流程圖畫面，報警畫面，歷史曲線、實時曲線、報表等個畫面鍵可以靈活切換。

（2）通過組態軟件，結合實驗已有設備，按照定值系統的控制要求，根據較快較穩的性能要求，采用但閉環控制結構和PID控制規律，設計一個具有美觀組態畫面和較完善組態控制程序的液位單回路過程控制系統。

設計要求

(1)根據液位單回路過程控制系統的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。

(2)運用組態軟件，正確設計液位但回路過程控制系統的組態圖、組態畫面和組態控制程序。

二、實驗目的：

（1）能根據具體對象及控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。（2）能夠根據過程控制系統A/D、D/A和開關I/O的需要，正確選用模塊。（3）能根據與計算機串行通訊的需要，正確選用RS485/RS232轉換與通訊模塊。（4）能運用組態軟件，正確設計過程控制系統的組態圖、組態畫面和組態控制程序。（5）控制要求超調量小于等于4%，峰值時間不超過30s。調節時間越短越好。

三、實驗方案：

整個過程控制系統由控制器、調節器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統中控制器為計算機，采用算法為PID控制規律,調節器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結構組成如下圖2.2所示。

當系統啟動后，水泵開始抽水，通過管道將水送到上水箱，由HB返回信號，是否還需要抽水到水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制 流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個流程圖如圖2.1所示。

圖2.1 液位單回路控制系統圖

過程控制系統由四大部分組成，分別為控制器、調節器、被控對象、測量變送。本次設計為流量回路控制，即為閉環控制系統，如下圖2.2.SP_PV1計算機控制器電動調節閥PV管道流量檢測傳感器

圖2.2 液位單回路控制系統框圖

四、實驗過程：

? 在組態王中，我們所建立的每一個組態稱為一個工程。每個工程反映到操作系統中 是一個包括多個文件的文件夾。工程的建立則通過工程管理器。

? 點擊“開始”---〉“程序”---〉“組態王6.5*”---〉“組態王6.5*”（或直接雙擊桌面上組態王的快捷方式），啟動后的工程管理窗口

? 搜索：單擊此快捷鍵，在彈出的“瀏覽文件夾”對話框中選擇某一驅動器或某一文件夾，系統將搜索指定目錄下的組態王工程，并將搜索完畢的工程顯示在工程列表區中。? 刪除 ：在工程列表區中選擇任一工程后，單擊此快捷鍵刪除選中的工程。? 屬性： 在工程列表區中選擇任一工程后，單擊此快捷鍵彈出工程屬性對話框，可在工程屬性窗口中查看并修改工程屬性。備份工程備份是在需要保留工程文件的時候，把組態王工程壓縮成組態王自己的“.cmp”文件。? 第一步：創建新工程

? 第二步：定義硬件設備并添加工程變量。添加工程中需要的硬件設備和工程中使用的變量.包括內存變量和I/O 變量 ? 第三步：制作圖形畫面并定義動畫連接

? 按照實際工程的要求繪制監控畫面并使靜態畫面隨著過程控制對象產生動態效果。? 第四步：編寫命令語言。通過腳本程序的編寫以完成較復雜的操作上位控制。? 第五步：進行運行系統的配置。對運行系統、報警、歷史數據記錄、網絡、用戶等進行設置，是系統完成用于現場前的必備工作。

? 第六步：保存工程并運行完成以上步驟后，一個可以拿到現場運行的工程就制作完成了。

1水泵的動畫連接及其程序編寫

2水管的動畫連

3啟動按鍵的定義

4停止按鍵的定義

5歷史曲線的按鍵定義

6實時曲線的定義

7報警按鍵定義 命令語言

? 組態王除了在定義動畫連接時支持連接表達式，還允許用戶編寫命令語言來擴展應用程序的功能，極大地增強了應用程序的可用性。

? 命令語言的句法和Ｃ語言非常類似，可以說是Ｃ的一個簡化子集，具有完備的詞法語法查錯功能和豐富的運算符、數學函數、字符串函數、控件函數、SQL 函數和系統函數。命令語言分類

? 應用程序命令語言：可以在程序啟動時、關閉時或在程序運行期間周期執行。如果希望周期執行，還需要指定時間間隔。

? 熱鍵命令語言：被鏈接到設計者指定的熱鍵上，軟件運行期間，操作者隨時按下熱鍵都可以啟動這段命令語言程序。

? 事件命令語言：規定在事件發生、存在、消失時分別執行的程序。

? 數據改變命令語言：只鏈接到變量或變量的域。在變量或變量的域值變化到超出數據字典中所定 義的變化靈敏度時，它們就被觸發執行一次。

? 還有自定義函數命令語言，畫面、按鈕命令語言 實現畫面切換功能

? 利用系統提供的“菜單”工具和ShowPicture()函數能夠實現在主畫面中切換到其他任一畫面的功能? ShowPicture(“3實時曲線”);趨勢曲線 ? 趨勢曲線用來反應變量隨時間的變化情況.趨勢曲線有兩種：實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。

應用程序

if(本站點開關轉換==1){本站點Ti=8;本站點Kp=15;本站點Td=10;if(本站點電機==1 &&本站點開關==0){本站點ek0=本站點Sp-本站點水箱液位;本站點微分液位差=本站點ek0+本站點ek2-2*本站點ek1;本站點Uk=(本站點Ti*(本站點ek0-本站點ek1)+本站點Kp*本站點 ek0+本站點Td*本站點微分液位差)/500;本站點水箱液位=本站點水箱液位+本站點Uk;本站點液位傳遞值=本站點ek1;本站點ek1=本站點ek0;本站點ek2=本站點液位傳遞值;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;} if(本站點電機==1 &&本站點開關==1){本站點ek0=本站點Sp-本站點水箱液位;本站點微分液位差=本站點ek0+本站點ek2-2*本站點ek1;本站點Uk=(本站點Ti*(本站點ek0-本站點ek1)+本站點Kp*本站點ek0+本站點Td*本站點微分液位差)/500+本站點水流;本站點水箱液位=本站點水箱液位+本站點Uk-本站點水流;本站點液位傳遞值=本站點ek1;本站點ek1=本站點ek0;本站點ek2=本站點液位傳遞值;本站點水流=本站點水箱液位/100;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;} if(本站點電機==0 &&本站點開關==1){本站點水流=本站點水箱液位/100;本站點水箱液位=本站點水箱液位-本站點水流;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;if(本站點水箱液位<1)本站點水流=0;}} if(本站點開關轉換==0){if(本站點電機==1 &&本站點開關==0){本站點ek0=本站點Sp-本站點水箱液位;本站點微分液位差=本站點ek0+本站點ek2-2*本站點ek1;本站點Uk=(本站點Ti*(本站點ek0-本站點ek1)+本站點Kp*本站點ek0+本站點Td*本站點微分液位差)/500;本站點水箱液位=本站點水箱液位+本站點Uk;本站點液位傳遞值=本站點ek1;本站點ek1=本站點ek0;本站點ek2=本站點液位傳遞值;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;} if(本站點電機==1 &&本站點開關==1){本站點ek0=本站點Sp-本站點水箱液位;本站點微分液位差=本站點ek0+本站點ek2-2*本站點ek1;本站點Uk=(本站點Ti*(本站點ek0-本站點ek1)+本站點Kp*本站點ek0+本站點Td*本站點微分液位差)/500+本站點水流;本站點水箱液位=本站點水箱液位+本站點Uk-本站點水流;本站點液位傳遞值=本站點ek1;本站點ek1=本站點ek0;本站點ek2=本站點液位傳遞值;本站點水流=本站點水箱液位/100;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;} if(本站點電機==0 &&本站點開關==1){本站點水流=本站點水箱液位/100;本站點水箱液位=本站點水箱液位-本站點水流;本站點儲水箱液位=300-本站點水箱液位;if(本站點水箱液位<1)本站點水流=0;}} if(本站點Uk<=1)本站點uk=本站點Uk*100;else 本站點uk=100;if(本站點電機==0)本站點Uk=0;if(本站點水箱液位>本站點Sp)本站點水箱液位=本站點水箱液位-本站點水流;實驗總結

通過此次設計，我掌握了流量單回路控制系統的構成。知道它最基本的部分有控制器、調節器、被控對象和測量變松組成。

并且學會了如何去設計一個過程控制系統，掌握了基本的設計步驟。了解到，一般情況下，它都要經過一下幾個步驟：認知被控對象、設計控制方案、選擇控制規律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、設計系統流程圖和組態圖、設計組態畫面、設計數據詞典等，直到最后的動畫鏈接成功，并達到控制要求。經過以上步驟，我對整個過程控制系統的設計有了很深的體會，也學會了很多與設計相關的知識。

對組態王軟件也有了很大的了解，學會了初步的應用。認識到了組態王的一些應用情況，組態王軟件的組成與功能，其應用程序項目如何建立，數據詞典如何建立，動畫如何進行鏈接，命令語言程序如何編寫，趨勢曲線如何建立，還有I/O設備的配置和組態網絡的建立等等一系列與組態王軟件應用相關的知識。

在這次課程設計中也遇到了不少麻煩，不過經過老師的輔導大部分問題都得到了解決，總的來說，這次設計是一次收獲很大的設計，學到了很多教學中學不到的東西，對我的動手能力有了很大的幫助。同時也要感謝老師對我們這次課程設計的指導，讓我們獲益匪淺！

參考文獻：

[1]邵裕森,戴先中.過程控制工程(第2版).北京:機械工業出版社.2003 [2]崔亞嵩.過程控制實驗指導書（校內）

[3]廖常初.PLC編程及應用(第2版).北京:機械工業出版社.2007 [4]吳作明.工業組態軟件與PLC應用技術.北京:北京航空航天大學出版社.20077.[5]求是教儀.過程控制實驗裝置實驗指導書.杭州：浙江求是科教設備有限公司，2004 [6]邵裕森.過程控制工程.北京：機械工業出版社，2000 [7]俞全壽.過程自動化儀表.北京：化學工業出版社，2000

附錄

第二篇：基于組態王的水箱液位控制系統a

水箱液位控制系統

１.引言

自動化軟件在自動化產品的研發過程中有著舉足重輕的地位，尤其在科學技術飛速發展的今天，自動化軟件的應用越來越受到人們的重視。本文采用的自動化軟件是北京亞控公司出品的組態王6.51，本文利用組態王強大的組態功能和友好的人機界面實現了對供水系統中水塔和儲水箱的實時監控，并且具有一定的工程應用價值。

２.系統需求分析及其方法論證

2.1系統需求分析

為了保證系統所需用水的供給，供水系統必須能夠及時的對各種用水對象進行供水。這就要求水塔和儲水箱的水位不能低于一定的下限以免斷水對人們的正常生活所帶來的影響，同時水塔和儲水箱的水位又不能高于一定的上限，從而使得水資源可以合理的分配利用。如果使用組態王來實現軟硬結合的控制，將會給系統的各性能帶來良好的提升。

2.2系統方案論證

整個供水系統可以抽象為水塔和主水箱兩個容器的液位控制。水塔的水來自地下水，主水箱的液位由水塔的水泵和主水箱的出水閥門綜合決定。各種工業用水和生活用水可以用其對應的儲水箱的出水管道代替。這樣系統就組態好了。

系統通過智能模塊將液位的檢測量采集到組態王對應變量中,由組態王統一管理給出系統各部分運行趨勢、報表及報警事件,并通過與給定的液位設定比較來控制入水量，從而使液位保持在一定的范圍之內。

本系統假定主水箱滿液位為100，而水塔容量相對于主水箱來說應該大很多，為了明顯起見，我們選水塔容量為500.當水塔液位低于100時水塔進水，主水箱液位低于20時水塔自動供水，高于90時供水關閉。由于工業用水和生活用水的需求相差比較大，所以給他們設定了不同的流速，并且它們的使用時隨機的，顧沒有對兩儲水罐的出水閥進行自動控制。應運程序代碼如下: if(本站點泵==1){本站點控制水流=8;

本站點水塔=本站點水塔-8;本站點主水箱= 本站點主水箱+8;} else

{本站點控制水流=0;本站點水塔=本站點水塔;本站點主水箱= 本站點主水箱;}

if(本站點閥門1==1){本站點控制水流1=5;

本站點主水箱= 本站點主水箱-5;} else

本站點控制水流1=0;if(本站點主水箱>90)

本站點泵=0;if(本站點主水箱<20){本站點泵=1;本站點控制水流=8;

本站點水塔=本站點水塔-8;本站點主水箱= 本站點主水箱+8;}

if(本站點水塔<100){本站點水泵1=1;本站點控制水流2=10;本站點水塔=本站點水塔+50;}

if(本站點水泵1==1){本站點控制水流2=10;本站點水塔=本站點水塔+50;}

if(本站點水塔>450){本站點水泵1=0;本站點控制水流2=0;本站點水塔=本站點水塔;} 3.系統監控界面設計

3.1監控中心畫面

監控畫面包括了供水系統各功能塊的組態和一些相關儀表的顯示以及操作相關的按鈕等。操作人員通過主控按鈕可以很方便的對系統進行查看和管理。

圖1.監控中心畫面 3.2報警系統畫面的建立

水塔和主水箱都設置了報警，其中主水箱低報警值是20，高報警值是90，高高報警值是100。水塔只有一個低液位150報警。在系統運行過程中，可以隨時查看報警記錄。報警窗口如圖2所示：

圖2.報警系統畫面

3.3趨勢曲線的建立

趨勢曲線用來反映數據變量隨時間的變化情況，趨勢曲線有兩種：實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。在畫面程序運行時，實時趨勢曲線隨時間變化自動卷動，以快速反應變量的新變化。時間軸不能回卷，不能查閱變量的歷史數據。歷史曲線可以完成歷史數據的查看工作，但它不會自動卷動，而需要通過帶有命令語言的功能按鈕來輔助實現查閱功能。本系統的實時曲線和歷史曲線分別如下所示：

3.4數據報表及其打印保存

在報表畫面中可以實時查看各參數變化情況，操作人員可以通過打印預覽和打印按鈕來打印報表，同時報表具有實時保存數據的功能，保存文件的名稱為保存數據時的時間值，本系統的數據文件保存在當前工程目錄下，文件格式為Excel。所用到的代碼為：

string filename;

filename=InfoAppDir()+“實時數據文件”+

StrFromReal(本站點$年, 0, “f”)+ StrFromReal(本站點$月, 0, “f”)+ StrFromReal(本站點$日, 0, “f”)+ StrFromReal(本站點$時, 0, “f”)+ StrFromReal(本站點$分, 0, “f”)+ StrFromReal(本站點$秒, 0, “f”)+

“.xls”;

ReportSaveAs(“數據報表”,FileName);

數據報表界面如圖5所示：

3.5數據詞典設計

在數據詞典中可以定義變量，以便與畫面相關聯。這些變量包括I/O變量和內存變量等。本系統的數據詞典部分變量如圖7所示

圖７.數據詞典

4.心得體會

經過事先對組態王的一些書面和視頻資料的學習和了解，我對組態王的設計方法有了初步的認識，這對我以后的系統設計中起了很大的作用。剛開始設計系統時遇到了一些問題，比如水管流動，液位控制，程序的修改以及按鈕的設計等，但在我的學習和修改中這些問題都被一一解決了，有些部分還得到了很好的改進，我想這個水箱液位控制系統應該完善了很多。從組態王軟件設計中我學到了很多，學到了圖形的建立，程序的設計，模塊化的修改和定義語言，我相信這次實訓會給我以后的學習中帶來很大的收獲。

第三篇：加油站液位儀

加油站液位儀—青島海工智能科技

有限公司

青島海工智能科技有限公司是專業的加油站液位儀供應商,其自主開發的海工加油站智能管理系統,由液位探針、終端控制臺、網絡等組成,經管理軟件,實現加油站油罐的液位安全監控和計量,是一種安全環保的智能管理系統.探針特點: 安全：該產品采用本安型設計，已通過國家PCEC認證中心EXia II BT4級防爆認證； 精確：產品采用磁致伸縮原理進行高速數字化設計，通過國際高精度的自動標定系統進行標定，使液位測量精度達到±0.5mm；

穩定：采用數字化數據采集，通過EIA-485協議與控制臺進行數據交換，抗干擾能力更強，數據采集量更精準、更快捷；

環境溫度（-40℃-70℃）影響測量誤差＜0.2mm，高速：單罐巡檢速度1.5秒鐘；

耐用：采用無縫不銹鋼管全封閉設計，耐油、耐老化，壽命更長。

控制臺:

一、產品簡介

1.1 概述：

MC-10觸摸式控制臺是為加油站、油庫油罐液位自動計量系統而專門設計的自動化產品?？?4小時實時監控1～8個油罐的油高、水高、溫度、體積等基礎參數，用圖形和比例的方式動態顯示油位和水位的動態變化；自動實現高低液位報警、溫度高低報警；支持人工卸油、交接班、容積表導入導出、各種記錄查詢；協議開放，數據上傳至中控系統，支持數據網絡上傳至管理中心；真正做到油品的進銷存自動化管理，成為用戶油品精細化管理的好幫手！

MC-10觸摸控制臺實現人機界面人性化操作，采用全中文的操作界面，界面操作靈活簡捷，按照使用說明手冊的操作步驟輕松實現油品的自動化管理。

1.2主要指標：

◇外形尺寸(長×寬×高)：280×230×120（mm）◇供電電壓：交流 120V～260V 50Hz ◇工作環境溫度：-20℃～+60℃ ◇液晶屏尺寸：5英寸 ◇顯示方式：中文+圖形 ◇監控油罐數量：1～8個 ◇數據傳輸：RS-232 ◇報警燈：紅色為電源指示燈，上電后常亮；藍色為報警指示燈，只有報警時才點亮。1.3環境要求: ◇安裝場所必須為辦公安全區內；

◇室內壁掛式安裝，遠離火源、氣源等危險隱患； ◇保證電源接地良好。

二、軟件操作

2.1軟件功能: MC-10觸摸式控制臺實現人機中文界面操作，管理功能更加人性化、合理化，其主要功能如下：

◇探針的通訊線纜直接連接到控制臺，可實時巡檢1-8個油罐的基礎測量參數； ◇中文界面、動態圖文顯示，實時監測油罐的油高、水高、溫度和體積；

◇當液位、溫度達到設定的報警參數時，控制臺發出聲光報警，為用戶及時提供報警數據； ◇預設卸油高度預警，防止溢油，預設水高預警，防止帶水付油。

◇權限管理：加油站值班人員可查看動態罐存信息；管理人員可設置油罐管理參數，查看各種信息和數據管理；維護人員可進行系統參數設置和維護?！髤翟O置：設置油罐參數、進油參數和其它管理參數。

◇多罐自動監測：可同時監測1—8個油罐的參數并實時讀??；

◇自動計量功能：實時顯示油罐的油位、水位、溫度，罐存量，實現人工卸油。用圖形和比例的方式動態的顯示油位和水位的變化；

◇容積表編輯：計算機編輯的容積表可自動導入，具有罐容表導入、導出、備份功能； ◇報警功能：油位高低報警，油位高低預警，水位高報警，油溫高低報警。

查詢各種報警。

◇記錄和查詢：庫存記錄，進油記錄，各種報警記錄，交接班記錄 ◇板載1個RS-232串行通訊端口，數據上傳至中控系統或電腦系統； ◇預留網絡接口，具備網絡上傳功能，實現油品進、銷、存數據上傳；

◇網絡上傳功能，通過寬帶、電話方式直接進入網絡系統，實現數據上傳。為加油站和石油公司的進、銷、存管理提供方便條件。◇軟件升級方便，通過聯網升級或U盤升級。

地址:青島市鞍山一路88號 電話:0532-83721160 手機:*** http://www.tmdps.cn

第四篇：過程控制系統課程設計報告(封皮)

題目：

過程控制系統課程設計報告S7-300PLC與200PLC主-從站的單回 流量過程控制系統設計姓名：班級：自09A-2學號： 同組人：時間：2012年11月 地點：過程控制系統實驗室 指導老師：

目錄

1.概述····························································1

2.S7-300PLC與200PLC主-從站單回路流量過程控制系統硬件設計方案····2

2.1主-從站單回路流量過程控制系統硬件組成原理····················2

2.2主-從站單回路流量過程控制系統硬件電氣接線圖設計··············3

3.S7-300PLC與200PLC主-從站單回路流量過程控制系統閉環系統控制設計·4

3.1主-從站單回路流量過程控制系統閉環控制原理····················4

3.2主-從站單回路流量過程控制系統PLC硬件組態論述················4

3.3主-從站單回路流量過程控制系統控制程序流程圖論述··············5

3.4主-從站單回路流量過程控制系統控制程序功能實現················6

4.S7-300PLC與200PLC主-從站單回路流量過程控制系統上位監控系統設計·8

4.1主-從站單回路流量過程控制系統建立通訊························8

4.2主-從站單回路流量過程控制系統變量數據詞典建立················8

4.3主-從站單回路流量過程控制系統工藝圖形主畫面組態··············9

4.4主-從站單回路流量過程控制系統歷史趨勢組態···················10

4.5主-從站單回路流量過程控制系統實時趨勢組態···················10

4.6主-從站單回路流量過程控制系統數據報表組態···················11

5.S7-300PLC與200PLC主-從站單回路流量過控系統系統調試及結果分析·12

5.1主-從站單回路流量過程控制系統系統調試中解決的問題···········12

5.2主-從站單回路流量過程控制系統結果分析與總結·················12

結束語····························································12

附錄：帶功能注釋的源程序··········································13

第五篇：控制系統仿真與CAD課程設計報告..

控制系統仿真與課程設計

學

院：物流工程學院 專

業：測控技術與儀器 班

級：測控102 姓

名：楊紅霞 學

號：201010233037 指導教師：蘭瑩

完成日期：2013年7月4日CAD

一、目的和任務

配合《控制系統仿真與CAD》課程的理論教學，通過課程設計教學環節，使學生掌握當前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，學會運用MATLAB語言進行控制系統仿真和輔助設計的基本技能，有效地提高學生實驗動手能力。

一、基本要求：

1、利用MATLAB提供的基本工具，靈活地編制和開發程序，開創新的應用；

2、熟練地掌握各種模型之間的轉換，系統的時域、頻域分析及根軌跡繪制；

3、熟練運用SIMULINK對系統進行仿真；

4、掌握PID控制器參數的設計。

二、設計要求

1、編制相應的程序，并繪制相應的曲線；

2、對設計結果進行分析；

3、撰寫和打印設計報告（包括程序、結果分析、仿真結構框圖、結果曲線）。

三、設計課題

設計一：二階彈簧—阻尼系統的PID控制器設計及其參數整定

考慮彈簧－阻尼系統如圖1所示，其被控對象為二階環節，傳遞函數G(S)如下，參數為M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F（S）=1。設計要求：

（1）控制器為P控制器時，改變比例系數大小，分析其對系統性能的影響并繪制相應曲線。

（2）控制器為PI控制器時，改變積分時間常數大小，分析其對系統性能的影響并繪制相應曲線。(例如當kp=50時，改變積分時間常數)（3）設計PID控制器，選定合適的控制器參數，使閉環系統階躍響應曲線的超調量σ%<20%，過渡過程時間Ts<2s, 并繪制相應曲線。

圖1 彈簧－阻尼系統示意圖

彈簧－阻尼系統的微分方程和傳遞函數為：

??bx??kx?F M?xG(s)?X(s)11?? F(s)Ms2?bs?ks2?2s?25

圖2 閉環控制系統結構圖

附：P控制器的傳遞函數為：GP(s)?KP

PI控制器的傳遞函數為：GPI(s)?KP?11? TIsPID控制器的傳遞函數為：GPID(s)?KP?11??TD?s TIs

(一)設計P控制器，改變比例系數大小，分析其對系統性能的影響并繪制相應曲線。以下為所做的設計以及運行結果，KP取了不同的值，通過運用sim函數進行仿真，并得出超調量MP，過渡過程時間Ts的大小，通過分析所得出的結果，多次改變KP的大小直到符合題目的要求，使穩態誤差等都達到要求。

1、仿真運行程序

for Kp=[200,400,800] t=[0:0.01:6];

[t,x,y]=sim('yhx',6);hold on plot(t,y);N=length(t);

yss=y(N);%yss：穩態值 hold on

[ymax,i]=max(y);

mp=(ymax-yss)*100/yss, %計算超調量mp i=N;

while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02 i=i-1;end

Ts=t(i), %計算過渡過程時間 gtext(num2str(Kp));end

2、仿真框圖

KpStepGain12s +2s+25Transfer FcnScope1Out1

3、仿真運行結果

改變比例系數kp大小,得如下結果，通過以下數據以及得出的曲線可分析其對系統性能的影響 Kp=200

mp =

75.3359 Ts =

3.7962

Kp=400

mp =

84.7526 Ts =

3.8317 Kp=800

mp =

88.0528 Ts =

4.5685

4、仿真運行曲線

21.81.61.48001.214000.82000.60.40.200123456

5、運行結果分析

根據實驗要求設計了一個P控制器，與Gs等構成閉環控制系統結構。由以上的運行結果以及曲線可以看出隨Kp增大，超調量mp是逐漸變大的，Ti也是逐漸變大的，而且總是達不到穩態誤差很小很小，因此得出以下結論：隨著Kp值的增大，系統的超調量變大，調節時間變長，振蕩次數也增多了。Kp值越大，系統的穩態誤差就越小，調節應精度越高，但是系統的波動明顯變多了，穩定性變差，但是系統響應變快了。隨著比例系數女kp的增大并不能消除穩態誤差，只能減小穩態誤差。(二)設計PI控制器，改變積分時間常數大小，分析其對系統性能的影響并繪制相應曲線。以下為設計出的仿真程序等，運用sim函數進行仿真，編寫程序使KP=50，改變KI的大小，來進行分析，直到符合題目的要求，使運行出的結果穩態誤差基本很小即可，如果達不到，就要重新設定KI的大小，進行多次試驗，選出如下符合要求的KI的值，程序中都有所體現。

1、仿真運行程序

for Ki=[30,50,80] t=[0:0.01:10];

[t,x,y]=sim('yhxx',10);hold on plot(t,y);

N=length(t);%yss：穩態值 yss=y(N);hold on [ymax,i]=max(y);

mp=(ymax-yss)*100/yss, %計算超調量mp i=N;

while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02 i=i-1;end

Ts=t(i),%計算過渡過程時間 end

2、仿真框圖

50Kp1KiStepKi1sIntegrator2s +2s+25AddTransfer FcnScope1Out1

3、仿真運行結果

當Kp=50時, 改變積分時間常數ki的大小，由以下的結果以及曲線可分析其對系統性能的影響 ki=30

mp =

21.4633 Ts =

6.5686 Ki=50

mp =

26.7424 Ts =

5.1127 Ki=80

mp =

31.0229 Ts =

7.3375

4、仿真運行曲線：

1.41.280501300.80.60.40.20012345678910

5、運行結果分析

Kp=50時，隨著ki值的增大，系統的超調量變大，系統響應時間出現了波動。ki越大，積分速度越快，積分作用就越強，響應時間變快，但系統振蕩次數就較多。PI控制可以消除系統的穩態誤差，提高系統的誤差度。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后基本無穩態誤差。這是比上一個只有比例控制器的一個進步的地方。

(三)設計一PID控制器，選定合適的控制器參數，使閉環系統階躍響應曲線的超調量σ%<20%，過渡過程時間Ts<2s, 并繪制相應曲線。以下為所設計的程序，仿真等，改變kp,ki,kd 的值得出閉環階躍響應的超調量和過渡過程時間，通過多次試驗，得到的kp取20,ki取65，kd取9時運行出的結果是滿足題目要求的：

1、仿真運行程序

[t,x,y]=sim('yhxxx');plot(t,y);N=length(t);

yss=y(N);%yss：穩態值 [ymax,i]=max(y);

mp=(ymax-yss)*100/yss, %計算超調量mp i=N;

while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02 i=i-1;end

Ts=t(i), %計算過渡過程時間

2、仿真框圖

20Kp1y(s)65StepKi1sIntegratorAdd12s +2s+25Transfer FcnYTo Workspace9Kddu/dtDerivativeScope

3、仿真運行結果

經過多次試驗，當Kp=20,ki=65,pd=9滿足使閉環系統的階躍響應曲線的超調量σ%<20%,過渡過程時間ts<2s，結果如下： mp =

1.1367

Ts =

0.8945 從結果可知超調量mp%<20%,過渡過程時間Ts<2s滿足設計要求.4、仿真運行曲線：

1.41.210.80.60.40.20012345678910

5、運行結果分析及設計小結

把比例 微分 積分結合起來進行控制能夠更好的達到我們想要的結果，PID參數的整定就是合理的選取PID三個參數。從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態誤差等方面來考慮問題，每個參數都有自己的作用，比如比例調節的作用是能夠成比例地反映系統的偏差信號，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生與其成比例的調節作用，以減小偏差。隨著Kp增大，系統的穩態誤差減小，但是系統容易產生超調，并且加大Kp只能減小穩態誤差，卻不能消除穩態誤差，顯著特點就是有差調節。然后就是微分調節的作用是消除系統的穩態誤差，提高系統的誤差度，它的特點就是誤差調節。微分調節作用是改善系統的動態性能，可以減少超調，減少調節時間。總之比例積分微分控制作用是相互關聯的，結合起來用效果會更好。設計二：二階系統串聯校正裝置的設計與分析

設某被控系統的傳遞函數G(s)如下：

G(s)?設計要求：

K

s(s?2)選用合適的方法設計一個串聯校正裝置K(s)，使閉環系統的階躍響應曲線超調量?%?20%，過渡過程時間Ts?1.5(s)，開環比例系數Kv?10(1/s)，并分析串聯校正裝置中增益、極點和零點對系統性能的影響。

提示：可采用根軌跡校正工具進行串聯校正

MATLAB 提供了一個輔助設計閉環系統根軌跡的仿真軟件Rltool，可以用來進行根軌跡校正。在command window 下鍵入>> rltool，進入設計環境。

一、設計思路方法

根據題目要求采用matlab中提供的一個輔助設計閉環系統根軌跡的仿真軟件Rltool，來進行根軌跡校正。打開matlab，在command window 下鍵入>> rltool，進入設計環境。

k根據設計要求：開環比例系數Kv?10(1/s)即 kv?limsG(s)??10得k?20

s?02取k=40, 傳遞函數G(s)?40

s(s?2)

二、設計步驟

1、打開matlab，在command window 下鍵入>> rltool，進入設計環境。啟動SISO Design Tool 在matlab中鍵入num=40;den=conv([1,0],[1,2]);ex_1=tf(num,den)，出現函數

40/(s^2 + 2 s)得到該系統的LTI對象模型ex_1。

2、啟動SISO Design Tool 窗口后，利用該窗口中File菜單下的命令Import,打開系統模型輸入對話框窗口。采用系統默認的結構，輸入選中的對象ex_1，將控制對象G設置為ex_1，控制器C設為1，其他的環節H,F均使用默認的取值1.單擊OK在SISO Design Tool中會自動繪制此負反饋線性系統的根軌跡圖，以及系統波特圖，如圖

Root Locus Editor(C)850Open-Loop Bode Editor(C)64020G.M.: InfFreq: InfStable loop-50-90-2-4-135-6P.M.: 18 degFreq: 6.17 rad/sec-1-8-2-180-1.5-1Real Axis-0.5010

3、點擊Analysis 中的other loop response 選擇step得到閉環系統階躍響應曲線如圖可以看到校正前的超調量為60.4%，過渡過程時間為3.66s，明顯不滿足要求。

1010Frequency(rad/sec)01102Step Response1.81.6System: Closed Loop: r to yI/O: r to yPeak amplitude: 1.6Overshoot(%): 60.4At time(sec): 0.5081.41.2System: Closed Loop: r to yI/O: r to ySettling Time(sec): 3.66Amplitude10.80.60.40.200123Time(sec)456

4、經過反復試驗，得出加入零點-5，加入極點-33，是滿足要求的，可得到如下的根軌跡圖以及伯德圖

Root Locus Editor(C)50403020-50100-10-20-30-40-50-40-180-30-20Real Axis-100-135G.M.: InfFreq: InfStable loop-100-90050Open-Loop Bode Editor(C)P.M.: 58.3 degFreq: 8.7 rad/sec-1101001010Frequency(rad/sec)12103

5、得到的階躍響應曲線如下超調量15.8%<20%，過渡過程時間0.715s<1.5s,滿足要求說明加的零極點是正確的

Step Response1.41.21System: Closed Loop: r to yI/O: r to ySystem: Closed Loop: r to ySettling Time(sec): 0.715I/O: r to yPeak amplitude: 1.16Overshoot(%): 15.8At time(sec): 0.348Amplitude0.80.60.40.2000.10.20.30.40.5Time(sec)0.60.70.80.91

6、在使用SISO Design Tool 完成系統的設計之后，在系統實現之前必須對設計好的系統通過Simulink 進行仿真分析，進一步對控制器C進行驗證，以確保系統設計的正確性。下圖為系統相應的Simulink模型：

untitledFStepFeed ForwardSumuntitledCCompensatorex_1PlantOutput1untitledHSensor DynamicsOut1

7、編寫M文件運行以得出超調量和過渡過程時間，以驗證是否正確，程序如下： num0=40;den0=conv([1,0],[1,2]);num1=[0.2,1];den1=[0.03,1];

[num2,den2]=series(num0,den0,num1,den1);[num,den]=cloop(num2,den2);t=0:0.005:5;

y=step(num,den,t);plot(t,y);N=length(t);yss=y(N);hold on

[ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss, i=N;

while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02 i=i-1;end Ts=t(i)，運行結果： mp =

15.7500

Ts =

0.7150

運行所得的曲線如下： 1.41.210.80.60.40.2000.511.522.533.544.55

運行結果分析：所得出的結果，超調量15.7500%<20%,過渡過程時間0.7150s<1.5s,滿足設計要求，證明設計的沒有問題，符合設計要求。

三、串聯校正裝置中增益、極點和零點對系統性能的影響。（1）加入增益68，所得到的根軌跡及伯德圖：

Root Locus Editor(C)150100Open-Loop Bode Editor(C)10050500G.M.: InfFreq: InfStable loop-50-900-50-135-100P.M.: 8.66 degFreq: 106 rad/sec-1-150-20-180-15-10Real Axis-5010100

編寫M程序，得出圖像及超調量，過渡過程時間等值，來判斷加入增益對系統性能的影響，程序如下：

num0=40;den0=conv([1,0],[1,2]);num1=68*[0.2,1];den1=[0.03,1];[num2,den2]=series(num0,den0,num1,den1);[num,den]=cloop(num2,den2);t=0:0.005:1;y=step(num,den,t);plot(t,y);%計算超調量mp N=length(t);yss=y(N);

hold on %yss：穩態值 [ymax,i]=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss, i=N;while abs(y(i)-yss)/yss<=0.02

i=i-1;end Ts=t(i)，運行結果為

1010Frequency(rad/sec)12103mp =

69.4107

Ts =

0.2600 運行曲線為：

1.81.61.41.210.80.60.40.2000.10.20.30.40.50.60.70.80.91

由以上結果及圖像可以得出以下結論：加入增益之后超調量變大了，過渡過程時間變短了，波動的更加厲害，穩態誤差變小了。說明可以改變開環增益的大小，從而改善穩態誤差

（2）加入零點-10，所得到的根軌跡及伯德圖： Root Locus Editor(C)360402200Open-Loop Bode Editor(C)10-20G.M.: InfFreq: NaNStable loop-40-45-1-90-2-135P.M.: 108 degFreq: 12.9 rad/sec-1-3-60-180-50-40-30-20Real Axis-100101001010Frequency(rad/sec)12103

階躍響應曲線如下：

Step Response1.41.21Amplitude0.80.60.40.2000.5Time(sec)11.5

由圖可以得出，加入零點后對系統的性能產生了很大的影響，過渡過程時間變長了，超調量變小了，波動次數少了，而且增加開環極點，使得原系統根軌跡的整體走向在S平面向右移，使系統穩定性變壞。

（3）加入極點-10后所得到的根軌跡以及伯德圖: Root Locus Editor(C)8050Open-Loop Bode Editor(C)60040-50200-100G.M.: 10.3 dBFreq: 14.4 rad/secStable loop-150-90-20-40-180-60P.M.: 22.1 degFreq: 7.34 rad/sec100-80-100-50Real Axis0-270-150101010Frequency(rad/sec)12103

階躍響應曲線如下：

Step Response1.61.41.21Amplitude0.80.60.40.2000.511.5Time(sec)22.533.5 由圖可以看出加入零點之后系統的性能發生的變化，過渡過程時間變得更長了，超調量變大了，波動次數變多了，增加開環零點，使得原系統根軌跡的整體走向在S平面向右移，使系統穩定性得到改善。

四、設計小結

這個設計是應用了matlab中新的功能，是輔助設計閉環系統根軌跡的仿真軟件Rltool，可以用來進行根軌跡校正的一個軟件，在使用的過程中遇到了很多問題，參照著課本，一步一步的進行探索，遇到課本上解決不了的，就向同學和老師詢問，或者在網上搜些資料以幫助自己理解一些概念，從而更快的理解課程設計需要做的東西，該如何按照老師的要求做出來，其中需要試一些符合要求的零極點，試了很多次。還要到最后進行simulink的仿真，并且編寫了程序，以驗證所設計的是不是符合要求。

通過這次課程設計，我學到了很多東西，通過編寫程序，用到了以前學過的知識，對以前所學知識進行了鞏固，覺得非常好，把以前學過的東西又重新撿起來，繼續用，也為自己的后續的學習之路鋪下基礎，比如說后面的畢業設計可能就會用到matlab。我也感受到了matlab強大的功能，對這個軟件產生了極大的興趣，非常實用和好玩。這次課程設計真的學到了很多很多，深受啟發，讓我對以后的學習充滿了信心，老師也很敬業，對我們學生很負責任，耐心教導。