北京科技大学自动化学院 自动化生产线实训实验报告
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控制器进行仿真测试，并对PID参数调整。
5. 利用组态王软件对实际单容水箱闭环液位系统进行PID整定。
1.5分组情况
组长：程顺均
组员：樊斌、孙洪友、白茹
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2单容水箱建模
2.1建模方法概述 2.1.1 机理建模
机理分析是根据对现实对象特性的认识，分析其因果关系，找出反映内部机理的规律。立足于揭示事物内在规律。通过内在机理分析，按照质量、能量、动量守恒定律，通过理论推导建立过程数学模型的方法，称为机理分析建模法。
机理分析建模的基本依据：质量守恒(物质不灭定律)、能量守恒(热力学第一定律，系统能量的增加等于加入系统的热量减去系统对外所做的功)、动量守恒(牛顿第二定律，系统的动量变化率与作用在该系统上的力相等)。
使用基本定律的方法：根据系统的具体情况，规定一个划定体积，以这一个划定体积为对象，依据守恒定律，列些衡算方程。
质量守恒：物料衡算；能量守恒：热量衡算；动量守恒：动量衡算。 机理建模具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。但对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能使用。 2.1.2 实验方法建模
机理法建模需要一定条件，但多数工业过程机理复杂或者环节较多，难以理论分析建立模型。
并且某些对象在运行过程中其动态特性随着工况的改变而改变。实验方法建模不需要了解对象的工作机理，依据输入输出实验数据，通过过程辨识和参数估计的方法建立模型。
对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为地输入作用(输入量)，然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量(输出量)随时间变化的规律，得到一系列实验数据(或曲线)。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。常用的实验性能测试方法有阶跃响应曲线法。
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2.1.3 对象模型的影响因素分析 2.2阶跃响应法建模 2.2.1 理论基础
单容水箱的动态数学模型是一阶惯性环节加纯延迟的系统，其传递函数为
G(s)?K??se，式中，K为对象放大系数，T为对象时间常数，?为对象纯滞Ts?1后。需要参数辨识： K、T、?。方法有两种：作图法和计算法。
1. 一阶惯性环节加纯延迟的系统
曲线在t=0处斜率为0，随后斜率增大 ，到达拐点D后斜率减小，曲线为S形。可近似为一阶惯性环节加纯延迟系统。如图所示。
图4 一阶惯性加纯延迟系统阶跃响应曲线
K??y(?) ?u式中：?y(?)为给阶跃前后，系统最终稳定到的值的差值
?u为所给阶跃的大小
(1) 作图法：
T=BC，通过拐点D作切线，交时间轴于B,交稳定线于A，A时间为OC。 ?=OB。
(2) 计算法 将y(t)归一化：
y?(t)?y(t)
y(?)?y(0)5
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阶跃响应为
0??y?(t)??t???T??1?e取t2?t1?? ,得：
t??
t??t???1??y?(t1)?1?eT ?t2???y?(t)?1?e?T?2化简得：
T?t1?t2ln[1?y?(t1)]?ln[1?y?(t2)]??t2ln[1?y?(t1)]?t1ln[1?y?(t2)]ln[1?y?(t1)]?ln[1?y?(t2)] 若取y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63,由图求出相应的t1 和 t2，得：
?T?2(t2?t1) ???2t?t?12校验：取y*(t3)=0.55,y*(t4)=0.87,由图求出相应的t3和 t4，得：
?t3?0.8T?? ?t?2T???4校验结果：如果校验结果相差较大，需要用更高阶模型结构。 2.2.2 实验步骤 1）取两次阀位模型
2）每次阀位，取两次阶跃响应建模实验结果，重要步骤需要截图。 2.2.3模型建立
根据过程控制知识可以知道，一般单容水箱的模型为一阶系统加
G(s)?K??se Ts?11. JV12全开，JV16打开45度左右（由于开度不同，特性也有差异），其余阀门关闭，等待系统稳定下来，将控制量由原来的20%增大到25%，等待系统稳定，产生结果如下图：
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图6 阀门开度45度时控制量由20%增大到25%时系统响应曲线
由该图6可知，当控制量由20%增大到25%时，系统液位由原来稳定在38%的高度变成了稳定在64%的高度。由前面的理论推导可以知道：
T为液位上升到平衡液位的63.2%的时间，即y上升到
38% +(64% - 38%)*63.2% = 54.432%
所花的时间从上图可以看出T = 65s
从图像可以知道，系统的延迟比较小，如果忽略系统的延迟，则有 系统的传递函数为:
2. 当JV16的开度为55度左右时，将控制量设置为20%后，等待系统稳定
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