【正文】 先進(jìn) PID 控制及其 MATLAB 仿真[M]。新型 PID 控制及其應(yīng)用[M]。多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法[M]。南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2022.[6]張石，蔡惠龍。過程辨識[M]。先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[M]。自動控制技術(shù)和應(yīng)用[M]。Visual C++.NET 編程技術(shù)體驗(yàn)[M]。感謝所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友，真心對你們表示感謝。在此，向 XX 老師表示我最崇高的敬意和衷心的感謝！感謝實(shí)驗(yàn)室的 XXXXXXXXX 等每一位同學(xué)，雖然我們有著各自不同的研究領(lǐng)域，但是通過我們之間的交流，使我增長了知識，擴(kuò)展了視野，他們的建議給了我很大的啟示，使我在設(shè)計(jì)工作中受益匪淺。在設(shè)計(jì)期間，XX老師以其淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寶貴的經(jīng)驗(yàn)給我以啟迪，使我終生受益，并激勵著我在今后的學(xué)習(xí)和工作中銳意進(jìn)取，不斷前進(jìn)。如果將整個控制系統(tǒng)放到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場情況，可對系統(tǒng)進(jìn)行更多的改進(jìn)，使其發(fā)揮更優(yōu)良的性能。由于時間關(guān)系，本課題尚有許多地方需要完善。水位控制系統(tǒng)是模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對水位、流量參數(shù)進(jìn)行測量、控制、觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的科研產(chǎn)品，具有過程控制中動態(tài)過程的一般特點(diǎn)——大慣性、非線性，難以對其進(jìn)行精確控制，從而使其成為控制理論與控制工程、過程控制教學(xué)、試驗(yàn)和研究的理想實(shí)驗(yàn)對象。但系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也隨之增加，尤其是在某些工程領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)發(fā)生故障，會導(dǎo)致失敗而帶來災(zāi)難性后果。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁圖 加階躍擾動后的過度曲線由圖 可以看出，加擾動后系統(tǒng)可以迅速的恢復(fù)平衡，證明經(jīng)參數(shù)整定后的系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。所以 PI 調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)定性能。比例積分調(diào)節(jié)引如積分作用來消除系統(tǒng)殘差，卻降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。取系統(tǒng)曲線如圖 所示圖 參數(shù)整定后的實(shí)時控制曲線分析實(shí)驗(yàn)曲線可知：比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大；減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。選取比例（P ）系數(shù) Kp=，積分（I）時間 Ti=。首先選取副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Kp=。由于副回路的存在加快了校正作用,使擾動對水位的影響較小。待水位穩(wěn)定后,在上水箱上加擾動,如果擾動比較大或參數(shù)并不理想,雖經(jīng)過副回路的校正,還將影響水位,此時再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié),從而完全克服上述擾動,使水位調(diào)回到設(shè)定值上。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析本串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)。具有記錄歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線的功能，用戶可以隨時對所做實(shí)驗(yàn)和記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。 控制軟件的主要功能本控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下一些功能：在本軟件中，用戶可以輕松改變控制算法或調(diào)節(jié)各控制算法的參數(shù)，通過仿真曲線，可以找到最佳的控制算法和控制參數(shù)。本系統(tǒng)采用 4：1 衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù), 參數(shù)設(shè)定如表 表 4：1 衰減曲線法整定參數(shù)表5 控制結(jié)果 控制軟件簡介 控制界面基于 PLC 的 PID 控制運(yùn)行時的控制界面如圖 所示： 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁圖 控制界面控制界面具有“ 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”、 “實(shí)時曲線”、 “實(shí)時數(shù)據(jù)瀏覽”、 “歷史曲線”、“自動/手動”、 “退出實(shí)驗(yàn)”等菜單，界面上的參數(shù)都可以手動設(shè)置。兩步法就是在主、副回路都閉合的情 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁況下,按單回路系統(tǒng)方法各整定一次副回路和主回路,然后按這兩步求得的特征值查表計(jì)算,就可以取得較為滿意的主、副調(diào)節(jié)參數(shù)。改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個整定參數(shù),對主、副回路的過渡過程都有影響,這種影響程度取決于主、副對象的動態(tài)特性，而且待整定的參數(shù)比單回路多,因此,串級系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣。 1?k 串級系統(tǒng)的參數(shù)整定 串級系統(tǒng)的整定比單回路復(fù)雜。首先將系統(tǒng)設(shè)定值與下水箱水位信號進(jìn)行比較,得到的偏差作為 PID1 的輸入信號；PID1 對該偏差進(jìn)行運(yùn)算后的輸出信號,作為上水箱水位的設(shè)定值。系統(tǒng)工作時,變頻器通過采集來自反饋的水箱水位測量值,與給定值作比較,送入模塊運(yùn)算,自動改變輸出頻率,調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制液料流量,達(dá)到穩(wěn)定液位的作用。據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖 所示的串級控制系統(tǒng)。而且由于該系統(tǒng)是串聯(lián)式雙容水箱水位控制過程，兩水箱串聯(lián)而存在容量滯后,這些因素致使單回路控制方案難以實(shí)施。理論分析表明,用單回路方法對上述過程進(jìn)行控制效果不是很理想?，F(xiàn)在要求控制下水箱的水位高度 h 為某一定值，若選擇上水箱的進(jìn)水量 Q為控制變量，則雙容水位控制的數(shù)學(xué)模型為： seSTKSGQH????)1()(21從模型可知,該系統(tǒng)是一個有時間延遲的二階系統(tǒng),自身不穩(wěn)定。因?yàn)樗谴壙刂葡到y(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件,是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施。在副回路設(shè)計(jì)時,要充分發(fā)揮這一特點(diǎn),把生產(chǎn)過程中的主要擾動(并可能多的把其它一些擾動)包括在副回路中,以盡量減少對主參數(shù)的影響,提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。另外,對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度,并符合工藝過程的合理性。若條件許可,可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù),因?yàn)樗钪苯右沧钣行А?. 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)主回路是一個定值控制系統(tǒng),對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì),基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好,一般應(yīng)用在下列情況：（1） 制通道純延遲時間較長；（2） 對象容量滯后大；（3） 負(fù)荷變化大,被控對象又具有非線性；（4） 系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾。串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝上的要求，在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。 串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過程中大量的參數(shù)定值控制問題。而其整定方法都是根據(jù)對象特性離線進(jìn)行的，因此，當(dāng)工業(yè)對象存在時變性、非線性和不確定性時，PID 控制往往不能保證良好的控制品質(zhì)，對于大慣性、大時滯的對象，其效果也不能令人滿意，原因在于常規(guī) PID 控制器的參數(shù)是經(jīng)離線整定后相對固定，不能根據(jù)對象特性變化和動態(tài)過程修改控制參數(shù)。增量式算法不進(jìn)行累加計(jì)算，增量只與最近三次的誤差值有關(guān)，節(jié)省了計(jì)算機(jī)存儲空間，容易獲得較好的控制效果。由式（4—2）和式（4—3）可以看出，采用增量式的 PID 算法只需保存當(dāng)前時刻以前三個時刻的誤差即可，這種算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：增量式 PID 算法只需計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足時對控制量的計(jì)算影響較小，誤動作少。iTi（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，并能在偏差信號值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。其控制規(guī)律為： （4—])()(1)([)(0dteTtetKtutip???2）離散化連續(xù)時間 PID 控制器便可得到數(shù)字 PID 控制器如下： （4—)]1()[)()()(0 ?????keTKieTkeKudpkipp3）式中： —比例系數(shù)；pK —積分時間常數(shù)；iT —微分時間常數(shù)。系統(tǒng)有模擬 PID 控制器和被控對象組成。4 PID 控制器的設(shè)計(jì)本文是利用在生產(chǎn)過程中最普遍采用的控制方法——串級控制作為系統(tǒng)的控制方法來設(shè)計(jì)控制軟件的。因?yàn)椴荒茴A(yù)知何時出現(xiàn)中斷事件，所以不允許中斷程序改寫可能在其他程序中使用的存儲器。中斷事件會在 S7200 CPU程序循環(huán)周期中任何時刻發(fā)生。同一子程序可以在不同的地方被多次調(diào)用，使用子程序可以簡化程序代碼、減少掃描時間、更好地組織程序結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)移植性。主程序通過指令控制整個應(yīng)用程序的執(zhí)行，每次 CPU 掃描都要執(zhí)行一次主程序。主程序是整個程序的主體，每個項(xiàng)目都必須并且只能有一個主程序。STEP 7Micro/WIN32 兼容所有的 S7200 系列，是我們選用的編程軟件，可以對 CPU 226 進(jìn)行編程。通常 SIMATIC 指令豐富，且執(zhí)行時間短，可使用梯形圖、功能塊圖和語句表語言；而 IEC11313 指令集只提供梯形圖、功能塊圖，且指令較少。語言表比較適合有邏輯程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人使用。語句表是一種助記符表達(dá)式，與計(jì)算機(jī)的匯編語言的指令相似。功能塊圖比較適合有數(shù)字電路基礎(chǔ)的人使用。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非” 運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號從左到右流動。梯形圖比較適合有電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人使用。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運(yùn)算按從左到右的方向執(zhí)行。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等；線圈代表邏輯輸出結(jié)果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的輸出條件等；方框表示的功能塊代表定時器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。1. 梯形圖梯形圖（LAD）是使用最多的可編程序控制器編程語言。（6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時立即執(zhí)行中斷，中斷程序可能在掃描周期在任意點(diǎn)上被執(zhí)行。（5）寫輸出復(fù)制輸出過程映像寄存器中的數(shù)據(jù)狀態(tài)到物理輸出點(diǎn)。（4）執(zhí)行自診斷S7200 CPU 檢查整個系統(tǒng)是否工作正常。S7200 CPU 執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像寄存器的 0 或 1 狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。在執(zhí)行指令時，從 I/O 映像寄存器或別的位元件的映像寄存器讀出其 0 或 1 狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫入到相應(yīng)的映像寄存器中。圖 S7200 CPU 的工作掃描過程示意圖（2）執(zhí)行用戶程序用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按順序排列，來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。CPU 以字節(jié)為單位來讀寫輸入/輸出映像寄存器。在一個掃描周期內(nèi)，CPU 執(zhí)行如圖 所示。S7200 CPU 周而復(fù)始地分階段執(zhí)行一系列任務(wù)。為了使 PLC 的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號。S7200 CPU 前面板上的 LED 顯示著當(dāng)前的工作模式。開關(guān)撥到 RUN 位置時，CPU 運(yùn)行，啟動用戶程序的運(yùn)行；當(dāng)開關(guān)撥到 STOP 位置 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁時，CPU 停止，用戶程序的運(yùn)行也停止；開關(guān)撥到 TERM 位置時，不改變當(dāng)前操作模式。其中用戶程序用編程軟件創(chuàng)建和編輯。 西門子 S7200 PLC 的工作原理S7200 PLC 具有兩種工作模式，分別是：運(yùn)行（RUN）模式和停止（STOP ）模式。 可以利用 PC/PPI 電纜和自由口通訊功能把 S7200 CPU 連接到許多和RS232 標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備。目前，提供的 S7200 CPU 有：CPU22CPU22CPU224 、CPU224XP、CPU22CPU 226XM。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁圖 S7200 CPU 外形示意圖S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成的電源和若干數(shù)字量 I/O 點(diǎn)集成在一個緊湊的封裝中，組成一個功能強(qiáng)大的 PLC。采用可選的端子排作為固定的接線配件，易于接線。 西門子 S7200 PLC 的硬件結(jié)構(gòu)西門子 S7200 系列 PLC 具有牢固緊湊的塑料外殼，通過安裝孔垂直或水平地安裝在板上或安裝在標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌上。S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。Windows 的界面風(fēng)格、以及豐富的編程向?qū)Ш蛶椭畔?，能夠使用戶快速上手。?）豐富強(qiáng)大的通訊功能S7200 提供了十種左右的通訊方式以滿足不同的應(yīng)用需求，從簡單的 S7 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁200 之間的通訊到 S7200 通過 ProfibusDP 網(wǎng)絡(luò)通訊，甚至到 S7200 通過以太網(wǎng)通訊。如：沖壓機(jī)床 、印刷機(jī)械 、中央空調(diào) 、電梯控制 、運(yùn)動系統(tǒng)等等。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。S7200 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。 西門子 S7200 PLC 簡介 西門子 S7200 PLC 的功能概述西門子 S7200 PLC 系列屬于小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。12V、24V 等直流電源。 電源可編程序控制器使用 220V 交流電源或 24V 直流電源。程序被編譯下載到可編程序控制器，也可以將可編程序控制器中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。編程裝置通過接口與 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁