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基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现
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基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现,设计
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分类号无锡职业技术学院毕业设计（论文）题目基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现英文并列题目DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCONTROLTRAININGDEVICEBASEDONTHEPIDTABLETENNISBLOWINGUPRIGHTPOSITION院系控制技术学院班级电气21291学生姓名谢瑞学号1010123233所在团队指导老师（1）姚晓宁职称副教授指导老师（2）黄麟职称教授答辩委员会主任主答辩人二零一五年五月毕业设计（论文）开题报告学生姓名谢瑞学号1010123233班级电气21291所属院系专业控制技术学院电气自动化指导教师姚晓宁职称副教授所在部门控制学院指导教师黄麟职称教授所在部门控制学院毕业设计（论文）题目基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现题目类型工程设计（项目）论文类作品设计类其他一、选题简介、意义毕业设计是电气自动化专业学生完成专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是综合运用所学过的基本课程、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次较为系统的综合训练。通过毕业设计，能够培养创新精神和实践能力，提高学生分析与解决实际问题的能力，使学生获得从事专业工作所必需的基本训练和科学研究工作的初步能力。基于PID的位置控制实训装置设计与实现课题来自企业，是我校对企业开展的技术服务。基于PID的位置控制实训装置以PLC为控制器，采用玻筒内吹浮乒乓球做PID控制载体，利用HMI设备显示乒乓球位置变化暂态过程。与基于PID的温度、液位调节控制实训装置相比，基于PID的位置控制实训装置玻筒吹浮乒乓球位置控制实训装置系统的惯性环节较小，参数易于调节，调节周期较短，响应速度灵敏。实训装置制作成本较低，实训准备耗时较短，故障率较低，易于维修。基于PID的位置控制系统将自动化控制技术、信息化软件技术与集成技术有机的结合在一起，是“信息化”与“自动化”的深度融合。基于PID的位置控制系统涵盖了软件技术、电气控制技术、通信技术、传感器检测技术等智能工业领域的主流技术。该课题是电气自动化专业的典型实践工程应用案例，课题设计与实现具有重要意义。二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）该毕业设计课题是结合学校与企业技术服务项目中的一部分，主要解决乒乓球位置的可调性与悬浮的稳定性和精确性。首先熟悉毕业设计任务书的内容和要求，接着根据设计要求，查阅相关的文献、资料，完成实训平台的总体规划与方案设计，然后完成电气自动化控制系统原理设计、硬件接线设计、自动化控制系统接线安装、系统软件程序设计及HMI画面设计，最后进行系统联调。该系统课题主要涉及到激光测距仪的研究与使用、乒乓球运动闭环控制系统的设计、PLC程序的编写、PID参数的设置和HMI画面制作以及系统联调。本次毕业设计主要研究的内容1激光测距仪的研究与使用；2工业以太网通信网络的组建；3玻筒内吹浮乒乓球闭环控制系统的设计；4PLC程序的编写；5HMI画面制作与变量连接；6PID参数设置与调试；7系统联调。三、设计（论文）体系、结构（大纲）第一章绪论11课题的背景及意义12国内外研究现状13PID控制技术特点14课题研究的内容第二章系统总体方案设计21控制方案设计22HMI界面设计第三章系统硬件设计31控制器选择32HMI选型33激光测距仪选型及参数设置34PWM脉宽调制第四章软件设计41项目硬件组态42主程序设计43HMI程序设计第五章系统调试51实验平台搭建52开环控制系统调试53闭环控制系统调试54系统测试结果第六章总结与展望小结参考文献附录一系统电路原理图附录二FB41功能块参数附录三系统程序附录四P整定曲线变化趋势图附录五实物图指导教师意见签字年月日院（系）审批意见签章年月日毕业设计（论文）任务书2015年3月7日毕业设计（论文）题目基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现题目来源企业指导教师姚晓宁职称副教授所在部门控制技术学院指导教师黄麟职称教授所在部门控制技术学院学生姓名谢瑞学号1010123233班级电气21291所属院系专业控制技术学院外语翻译要求完成约3000单词英文资料的翻译课题需要完成的任务目前使用的PID控制实训载体多采用基于温度、液位调节的控制系统，该类载体在实际应用中，一是对实训环境要求较高，如需配置给排水管路、增加电气负荷、操作存在安全隐患等；二是该类控制系统多为大惯性环节，参数设定困难，调节周期长；三是实训准备耗时长，故障率高，维修困难。现预设计一套基于PID的位置控制实训装置，采用玻筒内吹浮乒乓球做PID控制载体，PLC做控制器，控制要求如下1）设计玻筒内吹浮乒乓球位置控制的闭环系统，位置可调，使得乒乓球稳定到设定位置。2）小球位置变化暂态过程与PID参数设置、外部扰动因素有关，在HMI上设置修改PID参数、增加系统扰动的操作界面。3）为加强实训平台学习功能，方便学习者直观的了解各种参数变化及外部扰动对小球平衡位置的影响，设计监视界面，可以动态观察曲线实时变化情况，该曲线可以放大、暂停、查看历史数据，方便学习者研究和讨论。4）完成实训平台方案设计。5）完成系统联调。6）完成毕业论文。序号内容时间安排1查阅文献，了解工作过程和控制要求20153720153312提炼工艺和控制要求，完成系统软件设计20154120154153与上位机系统集成、系统联调20154162015425课题计划安排4完成论文撰写和修改2015426201555计划答辩时间2015年5月5日10日答辩提交资料外文资料翻译，毕业设计开题报告，毕业设计说明书，相关图纸。教研室主任审核意见签名目录第一章绪论211课题的背景及意义212国内外研究现状213PID控制技术特点314课题研究的内容4第二章系统总体方案设计521控制方案设计522HMI界面设计7第三章系统硬件设计831控制器选择832HMI选型833激光测距仪选型及参数设置934PWM脉宽调制12第四章软件设计1541项目硬件组态1542主程序设计1743HMI程序设计23第五章系统调试2751实验平台搭建2752开环控制系统调试2753闭环控制系统调试2854系统测试结果33第六章总结与展望34小结35参考文献37附录一系统电路原理图38附录二FB41功能块参数39附录三系统程序44附录四P整定曲线变化趋势图49附录五实物图68无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第1页共70页基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现摘要设计了一种基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置，该系统选用西门子S7300PLC、西门子多功能面板、XUE5AANM12激光测距仪、PWM板等器件，设计了玻筒内吹浮乒乓球位置闭环控制系统，使得乒乓球的位置可调并且能够稳定停留在设定值位置处，依托HMI可视化界面，实现了对乒乓球位置变化暂态过程的监控。该系统可以观察曲线的实时变化情况，可以查看乒乓球运动的历史数据，可以修改P、I、D参数，方便学习者研究各种参数对系统的影响。实验运行表明该系统具有惯性环节小、调节周期短、响应灵敏、运行可靠、故障率低、易于维修等特点，非常适合大学生学习PID系统。关键词乒乓球悬浮PID；HMI激光测距DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCONTROLTRAININGDEVICEBASEDONTHEPIDTABLETENNISBLOWINGUPRIGHTPOSITIONABSTRACTTHEDESIGNOFATABLETENNISBLOWING,FLOATINGPOSITIONBASEDONPIDCONTROLTRAININGDEVICE,THESYSTEMSELECTEDSIEMENSS7300PLC,SIEMENSMULTIFUNCTIONPANEL,XUE5AANM12LASERRANGEFINDER,PWMBOARDSANDOTHERDEVICESDESIGNEDTOBLOWGLASSBARRELFLOATINGTABLETENNISPOSITIONCLOSEDLOOPCONTROLSYSTEM,SOTHATTHEPOSITIONOFTHEADJUSTABLETABLETENNISANDCANBESTABILIZEDATTHESETVALUEOFTHEPOSITION,RELYINGONTHEHMIVISUALINTERFACETOACHIEVEAPOSITIONOFTABLETENNISTRANSIENTCHANGEPROCESSMONITORINGTHESYSTEMCANBEOBSERVEDINREALTIMECHANGESINTHECURVE,YOUCANVIEWTHEHISTORICALDATAOFTABLETENNIS,YOUCANMODIFYTHEP,I,DPARAMETERS,TOFACILITATELEARNERSTOSTUDYVARIOUSPARAMETERSONTHESYSTEMEXPERIMENTSRUNSHOWTHESYSTEMHASINERTIA,THEADJUSTMENTPERIODISSHORT,RESPONSIVE,RELIABLE,LOWFAILURERATE,EASYMAINTENANCEFEATURES,ISIDEALFORCOLLEGESTUDENTSTOLEARNPIDSYSTEMKEYWORDSTABLETENNISSUSPENSIONPIDHMILASERRANGING无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第2页共70页基于PID的乒乓球吹浮位置控制实训装置的设计与实现第一章绪论11课题的背景及意义自动控制理论是电气类、自动化类、机电类学生必修的一门重要专业基础课程，也是控制理论的核心思想，但由于其抽象、理论性很强，在校学生很难掌握该课程中基于PID控制部分的相关理论学习内容，因此设计了一种基于PID的位置控制实训装置以便在校学生更好的了解自动控制系统及PID控制核心思想。目前使用的PID控制实训载体多采用基于温度、液位调节的控制系统。该类载体在实际应用中，一是对实训环境要求较高，如需配置给排水管路、增加电气负荷等要求；二是该类控制系统多为大惯性环节，参数设定困难，调节周期长；三是实训准备耗时长，故障率高，维修困难。对于高职工科学生而言，教育理念是理论够用为原则，强调动手能力。本套系统设计思想是以应用为原则，依托实训载体，让学生了解自动控制系统及PID控制核心思想。控制对象为玻筒内的乒乓球，设计了乒乓球位置控制系统，实现了乒乓球位置的开环与闭环控制。由于该控制系统为小惯性环节，调节时间短，曲线理想，因此非常适合学生在有限的实验实训时间内训练，并把闭环控制理论与实践紧密结合，有利于高职学生了解和掌握自动控制系统基本理论和PID控制核心思想，并能与PLC、HMI、传感器等技术结合起来，提高高职学生系统集成能力和综合技术应用能力。12国内外研究现状PID控制经过长期的应用与考验，已经被证明是一种很好的控制器模式。现今的PID控制正向着智能化、自适应化、最优化的趋势发展。近年来，人们对模糊智能PID控制器、神经网络智能PID控制器、混沌PID智能控制器及遗传算法神经网络PID智能控制器等产生了浓厚的兴趣，但是在目前研究中，重复研究的很多，创造性研究的很少。2002年的一次统计报告中指出,目前在美国有超过11600个具有PID控制器结构的调节器应用于工业控制领域中,有超过97的反馈回路采用了PID控制无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第3页共70页算法,甚至在一些比较复杂的控制律中,其基本控制层采用的仍然是PID控制算法。随着计算机技术的不断发展，人们采用智能的方法将操作人员的调整经验作为系统参数存入计算机中，通过这种手段，计算机可以根据现场的环境与需求自动调整机械设备的PID参数值。这种方法整定时间比较短、操作比较简便、响应特性得到了改善既而推动了PID自整定控制技术的发展。13PID控制技术特点131PID控制原理在工程实际中，控制规律为比例、积分和微分的调节器应用最为广泛，简称PID控制。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分和微分计算出控制量进行控制的。PID控制器已经成为工业控制的主要技术之一1。1比例控制（P）比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。比例值设置的越大，输出响应越灵敏，比例值设置不当会引起系统的超调。如果控制系统中只有比例控制时，那么系统就会存在稳态误差，使得系统不稳定。2积分控制（I）在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。如果一个自动控制系统存在稳态误差，为了消除系统的稳态误差，在系统的控制器中就必须引入积分作用。积分的主要作用就是消除系统的稳态误差，其工作方式为对误差取时间积分，积分项会随着时间的增加不断增大。积分作用使得控制器的输出不断增大既而使系统的稳态误差不断减小，直至系统偏差接近0。3微分控制（D）在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服系统稳态误差时可能会因为系统存在较大惯性环节或滞后组件而出现振荡甚至失稳。微分作用具有抑制系统误差的作用，微分可以使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零的时候，抑制误差的作用就应该为零。微分作用可以避免被控量的严重超调。132PID参数整定无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第4页共70页PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。在整定系统的时候，比例、积分和微分三个参数的大小都不是绝对的，都是相对的。要灵活的调整参数，合理搭配参数才能够起到良好的调节作用。各种调节系统中PID控制器参数的经验数据可以参考表一工程参数经验值。表一工程参数经验值系统P（）I（S）D（S）温度T20601806003180压力P307024180液位L208060300流量L4010066014课题研究的内容根据系统总体设计原则及玻筒吹浮乒乓球控制系统的功能需求分析，设计了一种基于PID的位置控制实训系统，实现了既可进行单项目实验，又可进行综合项目训练的目的。本课题研究的内容主要包括以下几方面内容1激光测距仪的研究与应用；2工业以太网通信网络的组建；3玻筒内吹浮乒乓球位置闭环控制系统的设计；4PLC程序的编写；5HMI画面制作与变量连接；6PID参数设置与调试；7系统联调。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第5页共70页第二章系统总体方案设计21控制方案设计211系统功能本套系统设计思想是以应用为原则，依托实训载体，让学生了解自动控制系统及PID控制核心思想，提高高职学生系统集成能力和综合技术应用能力，经过相关的文献查询和分析总结，系统功能设定如下（1）采用电位器和PWM板可以实现乒乓球位置的开环控制；（2）设计玻筒吹浮乒乓球位置闭环控制系统，使得乒乓球的位置可调并且能够稳定停留在高度设定值处；（3）在乒乓球位置变化过程中可加入外部扰动因素；（4）通过HMI设备可设置PID参数；（5）通过HMI监视界面，可以动态观察曲线实时变化情况，如曲线放大、暂停、查看历史数据等。212系统总体结构系统以乒乓球位置为监控对象，主要由S7300PLC、HMI设备、PWM调节器、激光测距仪、轴流风机、乒乓球等装置组成，图21为系统总体结构图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第6页共70页图21系统总体结构图213闭环控制系统组建闭环控制常见的两种基本形式为正反馈与负反馈。从达到目的的角度来讲正反馈与负反馈具有相同的意义。反馈实现的方式为输出量回馈至输入端后和输入量进行加减后统一整合作为新控制输入去进一步控制输出量。闭环控制是根据控制对象输出的反馈来进行校正的控制方式。通过对比系统的输出行为与系统的期望行为之间的偏差，并通过一定的方法来消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈系统中存在一个闭合回路即输入端到输出端的信号前路以及输出端到输入端的信号反馈通路。自动控制的主要形式是反馈控制，并且大多数自动控制系统都是反馈控制系统。反馈控制系统主要由控制器、受控对象和反馈通路组成。如图22玻筒吹浮乒乓球闭环控制系统图所示，图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出统一整合后作为系统的偏差信号。与开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点，例如闭环控制系统具有抑制干扰的能力，当闭环控制系统的被控量由于外部因素干扰或内部因素干扰而产生偏差时，系统就会产生相应的控制作用来消除偏差，使系统保持稳定。闭环控制系统由于引入了反馈回路从而增加了系统的复杂性，如果控制系统的参数选择不当的话，那么就会造成控制系统无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第7页共70页的不稳定，图22为玻筒吹浮乒乓球闭环控制系统图。设定高度PID运算D/APLCA/DPWM05V轴流风机024V玻管风量激光测距仪乒乓球高度图22玻筒吹浮乒乓球闭环控制系统图如图22玻筒吹浮乒乓球闭环控制系统图所示，虚线框内的运算处理是由PLC完成的。设定高度值通过PLC程序编写给定,设定高度值与系统返回值进行比较运算，然后经PLC中PID控制模块运算处理，最后在由转换模块将数字量转换为模拟量输出。PLC模拟量输出作为PWM板的控制电压输入既而控制PWM板的输出电压。PWM板的输出电压（024V）即控制轴流风机的输入电压，轴流风机根据PWM板的输出电压来实现风量的调节。风量的变化会引起乒乓球位置的变化，既而影响激光测距仪所测数据的变化，导致PLC的模拟量输入发生变化即系统返回值发生变化。经过负反馈闭环控制系统的调节，乒乓球实际停留的位置将与高度设定值无限接近或相同，实现PID位置控制。22HMI界面设计为加强实训平台学习功能，方便学习者直观的了解各种参数变化及外部扰动因素对小球平衡位置的影响，在设计中采用了HMI可视化设备，学习者可以通过HMI可视化设备直观的观察乒乓球位置变化暂态过程。在HMI可视化设备中分别设计了首页界面、操作界面和监控界面。首页界面主要由进入操作界面按钮和系统设置按钮等组成。操作界面主要由启动按钮、停止按钮、扰动1按钮、扰动2按钮、PID初值按钮、监控界面转换按钮、退出系统按钮、位置给定值设定IO域、PID三个参数IO域等组成。在学习PID控制的时候学生可以通过改变P、I、D三个参数的值来了解PID控制以及了解P、I、D三个参数每个参数对控制系统的影响。通过不断的协调P、I、D三个参数，最终选择出适合系统的P、I、D三个参数。除了P、I、D三个参数会影响小球位置的变化，外部扰动因素也会影响小球位置的变化，因无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第8页共70页此在操作界面中加入了两个扰动按钮来模拟外界扰动因素。监控界面主要由趋势视图、玻筒吹浮模型、操作界面转换按钮和退出系统按钮组成。在监控界面中添加了趋势视图，趋势视图可以直观的显示出每个时刻小球位置的变化状态，同时该曲线还可以放大、暂停、查看历史数据，方便学习者研究和讨论。第三章系统硬件设计31控制器选择根据系统控制器所需要满足的功能以及考虑到系统今后将进入学校实训平台运行，因此在本设计中选择了S7300PLC（CPU314C2DP）作为控制器。S7300PLC是西门子可编程控制器系列产品之一，具有循环周期短、处理速度高、多点接口（MPI、PROFIBUS、PROFINET）等特点。314C2DPCPU是一个用于分布式结构的紧凑型CPU。内置数字量和模拟量输入/输出，具有24个数字量输入和16个数字量输出，4个模拟量输入和2个模拟量输出。314C2DPCPU内部带有PID控制模块，通过调用PID控制模块可实现PID控制。图31为CPU314C2DP图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第9页共70页图31CPU314C2DP图32HMI选型随着工业自动化系统的不断发展，工业的生产工艺过程也越来越复杂化，对工业机器设备适应工业环境的要求也越来越高。获得最大的透明性对操作人员来说至关重要，人机界面HMI提供了这种透明性。操作人员可以通过控制HMI来控制现场的机械设备，既而HMI成了操作人员与机械设备之间的介质。在本设计中选用型号为MP27710”TOUCH的HMI用于显示乒乓球位置变化暂态过程以及有关PID参数设置等，图32为MP27710”TOUCH图。HMI具有以下优点（1）通过HMI界面设计可以使过程可视化。操作过程可以显示在HMI上，操作人员可以通过HMI观察现场机械设备的工作流程。（2）操作员对过程的控制。操作人员可以通过控制HMI来控制现场机械设备的运作。（3）显示报警。当现场出现故障或其它非正常工作流程时，HMI设备画面上就会显示报警。（4）归档过程值和报警。HMI系统可以记录过程值和故障信息，同时操作人员可以查找以前的生产信息和故障信息。（5）过程值和报警记录。HMI系统可以输出报警和过程值报表。（6）过程和设备的参数管理。HMI系统可以将过程参数以及设备参数存储起来，操作人员可以查阅HMI上的存储数据，以便改进生产过程，提高工作效率。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第10页共70页图32MP27710”TOUCH图33激光测距仪选型及参数设置331激光测距仪型号及介绍在本设计中选用了型号为XUE5AA2NM12的激光测距仪来测量乒乓球位置变化的实时数据，图33为XUE5AA2NM12激光测距仪图，表二为XUE5AA2NM12激光测距仪的主要参数。图33XUE5AA2NM12激光测距仪图表二XUE5AA2NM12激光测距仪的主要参数额定电压1830VDC电压范围额定工作电压的10输出信号固态输出2XPNP模拟量输出420MA2M时4X7MM10M时15X20MM4M时3X10MM20M时30X40MM光斑大小6M时4X12MM30M时45X60MM最大开关频率快速模式38HZ慢速模式16HZ无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第11页共70页输出2个黄色LED运行1个绿色LED慢速模式1个橙色LED指示灯操作4个红色LED操作2个按钮，设定和切换如图33所示，XUE5AA2NM12激光测距仪操作界面由“S”和“T”两个按钮和4个指示灯组成。输出类型有开关量（QA和QB）和模拟量（420MA）。“S”按钮用于设置或重置所选择的功能，“T”按钮用于菜单功能切换。332位置标定利用激光测距仪来测量乒乓球的实时位置，首先标定乒乓球的零点位置和最高点位置，在本控制系统中标定乒乓球的零点位置为轴流风机未工作时乒乓球静止停留的位置，标定乒乓球最高点位置为乒乓球运动到玻筒的上方并与玻筒口平面相切，如图34位置标定图所示。图34位置标定图333输出参数设置1恢复出厂设置首先同时按下“S”和“T”按钮1秒钟，离开控制菜单，然后按“T”按钮15秒，直到4个红色LED都亮，则激光测距仪被恢复出厂设置。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第12页共70页图35开关量/模拟量标定图2设置开关量输出QA（1）打开控制菜单，按“T”按钮，直到QA的S1的LED灯亮起，然后手动调节电位器控制轴流风机使乒乓球停留在某一位置如图35开关量/模拟量标定图中的A点位置，按“S”按钮，直到QA的S1的LED灯亮短暂闪烁如果没有任何对象在测量范围内，或者如果不能检测到的对象，S1A闪烁永久。（2）按“T”按钮，直到菜单QA的S2的LED灯亮起，同样手动调节电位器控制轴流风机使乒乓球停留在某一位置如图35开关量/模拟量标定图中的B点位置，按“S”按钮，直到QA的S2的LED灯亮短暂闪烁如果没有任何对象在测量范围内，或者如果不能检测到的对象，S1闪烁永久。,同时按下“S”和“T”按钮1秒钟，然后离开控制菜单。经过（1）和（2）过程的设置，开关量QA设置成功。当乒乓球在AB之间运动时QA通道输出（触点闭合），当乒乓球不在AB之间运动时QA通道不输出（触点不闭合），同样的方法可以设置开关量QB。3模拟量输出（1）打开控制菜单，按“T”按钮，直到QA的S1和QB的S1的LED同时亮起，然后手动调节电位器控制轴流风机使乒乓球停留在某一位置如图35开无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第13页共70页关量/模拟量标定图中的A点位置（对应模拟量输出电流为4MA），按“S”按钮，QA的S1和QB的S1的LED短暂闪烁，A点标定成功。（2）首先按“T”按钮，直到QA的S2和QB的S2的LED同时亮起，然后手动调节电位器控制轴流风机使乒乓球停留在某一位置如图35开关量/模拟量标定图中的B点位置（对应模拟量输出电流电流为20MA），按“S”按钮，QA的S2和QB的S2的LED短暂闪烁，B点标定成功，最后同时按下“S”和“T”按钮1秒钟，然后离开控制菜单。（如果AB之间的设定距离小于600MM，那么传感器自动设置模拟输出到600MM）。激光测距仪将所测得的位置量转换为与之对应的模拟量（420MA）并作为PLC的模拟量输入（420MA）。34PWM脉宽调制本设计中选择的PWM板的输入控制电压为05V，输出电压为024V。在进行开环控制时，输入控制电压由人手动旋转电位器给定，在进行闭环控制时，输入控制电压由PLC给定，输出电压随着输入控制电压的增大而增大。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率来改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM调速系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短来控制输出电压。在一个周期内如果“接通”的时间比较长，“断开”的时间比较短，那么输出电压则比较大，反之输出电压比较小。通过改“占空比（“接通”时间与周期时间的比值）”来改变平均电压的大小，图36为调速原理图。图36调速原理图无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第14页共70页改变占空比的方法有3种（1）定宽调频法保持不变，只改变，这样周期（即频率）也改变；1T2T（2）调宽调频法只改变，保持不变，这样周期（即频率）也改变；（3）定频调宽法同时改变和，周期（即频率）不变。1T2定宽调频法和调宽调频法是通过改变周期（即频率）来调压的，当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，所以一般采用定频调宽法，图37为平均速度与占空比的关系图。图37平均速度与占空比的关系图当电机接通电源时，电机的速度会逐渐增加，而当电机断开电源时，电机的速度会逐渐的减小，根据这个原理，可以通过改变电机接通电源的时间与断开电源的时间来控制电机的转速，从而实现电机的调速。当电机一直接通电源时，电机的转速最大为，设为一个周期（）内电MAXV1TT机接通电源的时间即占空比为（D为占空比），那么在这个周期内电机的平均速度1T/T为（为电机的平均速度）。MAXDVDD从图37平均速度与占空比的关系图可以看出，电机的平均速度与占空比并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压与占空比成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第15页共70页成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比时，电机转速最大。1D第四章软件设计41项目硬件组态411编程环境本次设计采用SIMATICMANAGER软件进行程序编写，SIMATICMANAGER编程环境如图41所示，程序的编写采用块，其中OB1为程序周期组织块，S7CPU的操作系统定期执行OB1，可以在OB1中调用其它的功能块或功能。在运行期间被监视的所有OB块中，OB1块的优先等级最低。OB35为周期性中断组织块，以固定的时间间隔来中断用户程序，OB35的默认时间间隔为100MS，默认优先级为12，采用OB35时必须确保每个周期性中断OB的运行时间远远小于其时间间隔。OB100为启动组织块，启动类型有热启动（OB101）、暖启动（OB100）和冷启动（OB102）。FB41为PID的控制模块，FB41块的采样信号为模拟信号，在调用FB41块时可以通过激活PID控制器的子功能来使PID控制器适应不同控制要求。在调用PID控制模块FB41块时要注意只有在固定的时间调用FB41块时，PID控制器中计算的值才是正确的，否则会出现错误。FC105功能块可以将一个整型值转换为一个实型值（整型值介于上限和下限之间并以工程单位表示）。当BIPOLAR的输入为“1”时，输出整型值介于27648与27648之间，但BIPOLAR的输入为“0”时，输出整型值介于0和27648之间。DB1是FB41的背景数据块2。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第16页共70页图41SIMATICMANAGER编程环境图412硬件组态随着工业自动化系统的不断发展，人们对工业通信的要求也越来越高。工业以太网以其突出的优势也越来越被更多的工业采用。工业以太网总线采用TCP/IP协议，避免了不同协议之间通讯不了的困扰。工业以太网可以和局域网的计算机直接连接，它方便数据在局域网的共享，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接。工业以太网具有比较高的数据传输速率并且能够提供足够的带宽。为了确保工业应用安全可靠以及适应严酷的工业环境，SIMATICNET为工业以太网补充了不少重要的性能，如使用TCP/IP通讯协议、10/100M自适应数据传输速率、带有RJ45技术、工业级的SUBD连接技术、可使用基于WEB的网络管理等性能。（6）可使用基于WEB的网络管理；在基于PID的位置控制系统中，采用工业以太网通信，通过以太网将PC机、HMI和PLC连接在一起，这样有利于提高系统的可靠性，提高数据交换速率。同时还可以通过PC机监控PLC和HMI的实时状况，了解乒乓球位置变化的暂态过程，图42为PID位置控制网络拓扑图，图43为网络组态图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第17页共70页PROFINET图42PID位置控制网络拓扑图图43网络组态图42主程序设计421模拟量输入处理PCHMI监控中心PLC控制器无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第18页共70页图44模拟量输入程序图FC105功能块可以将一个整型值转换为一个实型值（整型值介于上限和下限之间并以工程单位表示）。当BIPOLAR的输入为“1”时，输出整型值介于27648与27648之间，但BIPOLAR的输入为“0”时，输出整型值介于0和27648之间。模拟量输入程序如图44所示，激光测距仪的模拟量输出（420MA）即PLC的模拟量输入（420MA），通过FC105功能块将输入的模拟量转换为介于0和600之间的实型值（上限值为600，下限值为0，上限值与下限值的选取取决于乒乓球零点位置与最高点位置的标定），并将转换后的结果输出（MD2FC105转换后的值）。输出的结果（MD2）作为PID控制模块FB41块中外部过程变量，进行PID运算，FC105功能块的参数见附录二功能块参数422PID整定在PID控制模块中，比例、积分与微分的操作以并联的方式连接。根据这种连接方式，PID控制模块可以对纯P、I与D控制器进行组态，同时也可以对PI、PD和PID控制器进行组态。在实际工程中可以通过激活或取消激活PID控制器的自功能来实现现场工艺要求，为了适应现场需求，某些环境下可以将建立双回路PID控制。PID控制模块采用的信号为模拟信号，只有在以固定时间间隔调用块时，无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第19页共70页在控制块中计算的值才是正确的。为此，应该在周期性中断OBOB30至OB38中调用控制块。在进行PLC硬件配置时设置周期性中断OB35的中断时间。图45PID整定程序图PID整定程序如图45所示，FB41块中用了10个输入参数（MAN_ON、CYCLE、SP_INT、PV_IN、MAN、GAIN、TI、TD、LMN_HLM和LMN_LLM）和1个输出参数（LMN）。启动/停止按钮（ENM03）为使能输入端，当启动/停止按钮的信号状态为1时，PID控制模块FB41块开启，进行PID运算处理，反之关闭FB41块。在SP_INT端以浮点格式输入高度设定值（MD10），在PV_IN端以浮点格式输入过程变量即激光测距仪测量乒乓球的实时高度值（MD2）。GAIN为控制器输入的增益即比例值（MD50），TI为PID控制器的积分时间，决定积分器的响应时间，TD为PID控制器的微分时间，决定微分单元的响应时间。GAIN、TI和TD这三个参数决定PID运算的性能。在实验调试过程中主要是调节这三个参数，通过这三个参数的协调最终使得系统运行高效稳定。LMN_HLM和LMN_LLM分别为上限和下限，操作值始终受上限和下限的的限无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第20页共70页制，表三为FB41块部分参数，FB41块详细参数见附录二。表三FB41块部分参数参数输入/输出数据类型默认值取值范围描述MAN_ON输入BOOLTRUE如果设置输入“启用手动值“，将中断控制回路。手动值作为操作值进行设置。CYCLE输入TIMET1S1毫秒块调用之间的时间必须为常数。“采样时间“输入指定块调用之间的时间。SP_INT输入REAL001000至1000或物理值1内部设定值“输入用于指定设定值MAN输入REAL001000至1000或物理值1可以在“过程变量输入“。GAIN输入REAL20“比例值“输入指定控制器增益TI输入TIMET20SCYCLE“复位时间“输入决定积分器的时间响应。TD输入TIMET10SCYCLE“微分时间“输入决定微分单元的时间响应。LMN_HLM输入REAL1000LMN_LLM1000或物理值2，操作值始终受上限和下限的限制。“操作值上限“输入指定上限。LMN_LLM输入REAL001000LMN_HLM或物理值2，操作值始终受上限和下限的限制。“操作值下限“输入指定下限。LMN输出REAL00有效的操作值为“操作值“输出处的浮点格式输出。423PWM板占空比FC106功能块可以将一个实型值转换为一个整型值（实型值介于上限和下限之间并以工程单位表示）。当BIPOLAR的输入为“1”时，输出整型值介于27648与27648之间，但BIPOLAR的输入为“0”时，输出整型值介于0和27648之间。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第21页共70页图46PWM板占空比程序图PWM板占空比程序如图46所示，MD6（PID整定后的值）为将要转换为整型的值，HI_LIM和LO_LIM分别为以工程单位表示的上限值和下限值，PLC的输出为010V，但是PWM板的控制输入电压只需要05V，因此要对PWM板的输入电压进行限定。FC106功能块的参数可参考附录二功能块参数424扰动程序扰动程序编写如下程序段1程序段2无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第22页共70页程序段3乒乓球位置变化暂态过程不仅与PID参数设置有关，还与外部扰动因素有关，如空气气流、震动等因素，这些扰动因素可能打破使乒乓球的动态平衡，使乒乓球在原有的位置上上升或者下降。M04和M05分别对应着操作界面中的扰动1按钮和扰动2按钮，通过扰动按钮来模拟这些扰动因素，在程序中使用了整数函数加（ADD_I）和整数函数减（SUB_I）。当没有外界扰动的时候执行第1程序，直接输出经FC106转换后的值。当有扰动1时，执行第2程序，使得乒乓球在原来的位置上上升。当有扰动2时，执行带程序3，使得乒乓球在原来的位置上下降。425位置限定程序段1编写如下无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第23页共70页程序段2编写如下经调试后发现，乒乓球运动位置存在死区。当乒乓球的高度设定值小于550MM时，乒乓球经过一段时间调节后能够稳定停留在高度设定值位置。当设定乒乓球的位置高于550MM时，乒乓球无法维持动态平衡，无法稳定停留在高度设定值处。因此在程序中加入高度限定功能，当高度设定值大于550MM时，使高度设定值等于550MM。由于在SIMATICWINCCFLEXIBLE中乒乓球的移动变量必须是整数，所以需要将浮点数转化为整数。43HMI程序设计无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第24页共70页HMI画面设计采用SIMATICWINCCFLEXIBLE软件。基于PID的位置控制系统界面主要由首页界面、操作界面和监控界面三个界面组成。首页界面主要由进入操作界面按钮和系统设置按钮等组成。操作界面主要由启动按钮、停止按钮、扰动1按钮、扰动2按钮、PID初值按钮、监控界面转换按钮、退出系统按钮、位置给定值设定IO域、PID三个参数IO域等组成。监控界面主要由趋势视图、玻筒吹浮模型、操作界面转换按钮和退出系统按钮组成。在SIMATICWINCCFLEXIBLE中可以将画面集成在SIMATICSTEP7中。集成后，在SIMATICWINCCFLEXIBLE中可以直接利用PLC中的变量。西门子提供的这种全集成自动化为PLC与HMI系统之间建立了通讯链接。如果没有这种集成，那么需要用户在PLC中定义一次变量，在HMI中还需要建立一次变量，这样操作将变得繁琐。西门子提供的这种全集成自动化降低了错误率、减少了组态工作量、提高了工作效率。下表四为HMI变量表。表四HMI变量表名称地址SCREENNUMBER没有地址（内部变量）启动/停止按钮M03扰动1按钮M04扰动2按钮M05PID恢复初值按钮M10高度设定值MD10设定值（转化后）MD14实时值（转化后）MD18GAINMD50TIMD60TDMD70431首页界面首页界面主要由进入操作界面按钮和系统设置按钮组成，图47为首页界面图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第25页共70页图47首页界面图432操作界面操作界面主要由玻筒吹浮模型、位置给定值设定IO域、PID三个参数值给定IO域、启动按钮、停止按钮、扰动按钮、PID初值按钮、监控界面转换按钮和退出系统按钮组成。在位置给定值设定IO域中输入设定高度值，玻筒内的乒乓球会移动到相应的设定高度值处。扰动按钮用于模拟外部干扰因素，PID三个参数IO域用于调节三个参数值的大小，监控界面按钮用于画面转换，点击监控按钮可以跳转到监控界面，图48为操作界面图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第26页共70页图48操作界面图433监控界面监控界面主要由玻筒吹浮模型、趋势视图、操作界面转换按钮和退出系统按钮组成。玻筒内的乒乓球与变量链接，乒乓球随变量的增减而上下移动。趋势曲线可以显示高度设定值曲线和乒乓球位置变化暂态过程，曲线可以放大、缩小、暂停和查看历史数据，图49为监控界面图。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第27页共70页图49监控界面图无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第28页共70页第五章系统调试51实验平台搭建硬件平台激光测距仪一个，透明亚克力玻璃管一支，轴流风机一台，乒乓球一个，HMI设备一台，S7300PLC，PWM板一块，PC机一台。软件平台SIMATICMANAGER，SIMATICWINCCFLEXIBLE基于PID的位置控制系统采用工业以太网通信，工业以太网具有较高的数据传输速率，目前已经达到100MB/S，能够提供足够高的带宽。可以在同一总线上运行不同的传输协议，从而能够建立公共网络平台和基础架构。图51为现场位置控制系统图。图51现场位置控制系统图52开环控制系统调试利用电位器与PWM板实现乒乓球位置开环控制系统调试旋转电位器开关，控制PWM板的输入电压即控制占空比，通过改变占空比来控制PWM板的输出电压既而控制轴流风机的风速，实现乒乓球吹浮位置开环控制系统的调试。无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第29页共70页闭合开环系统调试开关，旋转电位器开关，使得占空比从小到大逐渐增加，观察乒乓球的运动状况。当占空比比较小的时候，PWM板的输出电压比较小，轴流风机的风速也比较小。随着占空比逐渐增大，PWM板的输出电压也开始逐渐增大，轴流风机的风速逐渐增大，使得乒乓球开始加速旋转。当占空比增加到一定值时，即PWM板的输出电压达到一定值时，乒乓球开始缓慢上升并达到一定的高度值。图52为开环控制系统调试曲线变化趋势图，图中显示了乒乓球的三种运动过程即缓慢上升缓慢下降、快速上升快速下降和停留在某一高度处。对于乒乓球停留在固定位置的调节，开环控制调节速度比较慢而且效果不理想。图52开环控制系统调试曲线变化趋势图53闭环控制系统调试基于PID的乒乓球吹浮位置闭环控制系统是利用PID控制即比例、积分和微分的作用实现乒乓球位置控制。在进行PID闭环控制调试时，遵循孤立简化分析原则，即在进行PID整定时把P、I、D三个参数隔离开来，然后分别进行调试。首先进行P调试，在进行P调试的时候需要将积分与微分的作用降低到最小，经过P调试后确定一个比较合适的P值范围。接着在P值范围内选取一个P值，进行PI调试，PI调试结束后，进行PD调试，最后进行PID调试并对各种控制方式的调试结果进行分析总结。531P调试P调试即将系统设置为纯比例作用，将积分和微分的作用降到最小即将积无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第30页共70页时间设置为最大，将微分时间设置为最小。从小到大逐渐增加P的值，观察不同P值时的曲线变化趋势图。不同P值的曲线变化趋势图见附录四P整定曲线变化趋势图。图53P01，H300MM时曲线变化趋势图图54P038，H300MM时曲线变化趋势图无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第31页共70页图55P07，H300MM时曲线变化趋势图对调试结果进行比对分析，最终确定P值的取值范围在0305比较合适。如图53所示，当比例系数选择比较小的时候，控制器灵敏度比较低，被调参数变化比较缓慢，调节时间比较长，系统存在较大的稳态误差；如图54所示，当P值选取比较合适时，控制器灵敏度比较合适，系统稳态误差比较小。如图55所示，当比例系数选择比较大时，控制器灵敏度比较高，被调参数变化迅速，系统容易产生等幅振荡或超调现象，造成的系统不稳定。经过P调试后发现系统存在静态误差并且无法消除，乒乓球实际停留位置与位置高度设定值之间存在一定的偏差。532PI调试积分的作用是辅助比例作用进行调节，其目的是消除静态误差。将微分作用降至最小，逐渐加强积分作用即逐渐减小积分时间，直到消除静态误差。图56P03，I2000000000MS时外界扰动曲线变化趋势图无锡职业技术学院毕业设计论文（说明书）第32页共70页图57P038，I6000000MS外界扰动曲线变化趋势图图58P038，I5000MS时曲线变化趋势图逐渐增大积分作用即减小积分时间并对调试结果进行比对分析，如图56所示，当积分作用比较弱时即积分时间比较长时，系统的静态误差比较大，乒乓球实际停留位置与位置设定值之间存在较大偏差。逐渐增强积分作用，减少系统静态误差，使得静态误差为零即乒乓球实际停留位置与位置设定值之间的偏差为0，如图57所示，当积分时间设置的比较合适时，积分作
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