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自动化生产线实训
实验报告
班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2014 年 5 月 10 日
北京科技大学自动化学院 自动化生产实训实验报告
目 录
1系统概述 ......................................................................................................................................... 1
1.1实验对象 .............................................................................................................................. 1 1.2上位机软件 .......................................................................................................................... 2 1.3下位机 ................................................................................................................................. 2 1.4实验任务与目的 ................................................................................................................... 2 1.5分组情况 .............................................................................................................................. 3 2单容水箱建模 .................................................................................................................................. 4
2.1建模方法概述 ...................................................................................................................... 4
2.1.1机理建模 ................................................................................................................. 4 2.1.2实验方法建模 ......................................................................................................... 4 2.1.3 模型影响因素......................................................................................................... 5 2.2阶跃响应法建模 ................................................................................................................... 5
2.2.1理论基础 ................................................................................................................. 5 2.2.2实验步骤 ................................................................................................................. 9 2.2.3模型建立 ................................................................................................................. 9 2.2.4 结果分析 .............................................................................................................. 10
3 Matlab仿真实验 ........................................................................................................................... 12
3.1 MATLAB建立系统数学模型 ................................................................................................ 12
3.1.1作图法建模 ........................................................................................................... 12 3.1.2计算法建模 ........................................................................................................... 12 3.1.3误差分析 ............................................................................................................... 14 3.2 MATLAB对控制器参数进行整定 ......................................................................................... 15
3.2.1整定过程 ............................................................................................................... 15 3.2.2结果分析 ............................................................................................................... 20
4单容水箱PID控制 ......................................................................................................................... 21
4.1液位控制 ............................................................................................................................ 21
4.1.1实验原理 ............................................................................................................... 21 4.1.2实验步骤 ............................................................................................................... 22 4.1.3结果分析 ............................................................................................................... 24 4.2流量控制（选做） ............................................................................................................. 31
4.2.1实验原理 ............................................................................................................... 31 4.2.2实验步骤 ............................................................................................................... 31 4.2.3结果分析 ............................................................................................................... 32 4.3压力控制（选做） ............................................................................................................. 35
4.3.1实验原理 ............................................................................................................... 35 4.3.2实验步骤 ............................................................................................................... 36 4.3.3结果分析 ............................................................................................................... 37
4.4流量液位串级控制（选做） ....................................................................................................... 40
4.4.1实验原理 ............................................................................................................... 40 4.4.2水箱液位串级控制系统框图的设计 ..................................................................... 40 4.4.2实验步骤 ............................................................................................................... 41
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4.4.3结果分析 ............................................................................................................... 41 4.4.4结论....................................................................................................................... 47 4.5双容水箱液位PID控制（选做） ....................................................................................... 48
4.5.1实验原理 ............................................................................................................... 48 4.5.2实验步骤 ............................................................................................................... 48 4.5.3结果分析 ............................................................................................................... 49
5实训总结 ....................................................................................................................................... 51
5.1 目标，过程，结果等分析 .................................................................................................. 51 5.2对实训的收获，要求和建议 ............................................................................................... 51
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1系统概述
1.1实验对象
A1000小型过程控制实验系统，即水箱控制系统。通过对手阀的调节可以形成单容、双容、三容水箱控制系统。三个水箱每个都配备进水孔，出水孔，溢流孔，液位计。进水管配流量计和压力计。系统有两个水泵。
A1000小型过程控制实验系统结构由以下各部分组成： 1. 储水箱主体，提供了整个系统的支撑。 2. 三容水箱
左边水箱有一个入水口和四个出水口。右边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。右边中出水口用于和中水箱形成垂直多容系统。右边下出水口用于和中水箱形成水平两容和水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。
中间水箱有五个入水口，两个出入水口，两个出水口。前面的入水口是两个水路的入水。左右最上面的入水口用于左右两个水箱溢流。左边中出水用于和左边水箱形成垂直多容系统。左边下出水口用于和左水箱形成水平两容，以及水平三容。右边下出水口用于和右水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。中间有根管道，如果水过多则从此管道溢流。
右边水箱有一个入水口，四个出水口。左边上出水用于溢流，如果水过多则从中水箱溢流。左边下出水口用于和中水箱形成水平两容，以及水平三容。底部出水口用于水回到储水箱。底部还有一个开口用于提供液位测量。
3. 测控点
压力测点2个，用于测量泵出口的压力（0～100Kpa；4～20mA）。 流量测点2个，用于测量注水流量（0～0.6m3/h）。
液位测点3个，用于测量各实验水柱的水位（0～5 Kpa；4～20mA）。 4. 循环泵
潜水直流离心泵2台，提供水系统的循环动力。通过调速器控制水泵的出口流量，作为控制系统的执行器。
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1.2上位机软件
上位机组态软件为组态王。组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000/7 操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。 1.3下位机
西门子S7-200PLC，是最低端系列，适用于小型、对控制要求高的场合，后续衍生产品还有1200系列，smart200系列。
S7-200接线如图1所示。如果有一个EM231，只连接LT1, LT2，LT3，PT1，而FT1、FT2连接脉冲输入，输出连接P101，P102。
图1 S7-200信号接线图
1.4实验任务与目的
1. 熟悉本套系统，明确应该如何进行本次实验。 2. 熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
3. 根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法确定其数学模型。
4. 使用MATLAB软件在实验数据得到的模型中加入PID控制器进行仿真测
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