1、信息学院自动化专业课程设计报告-1-东北大学自动化专业课程设计报告设计题目：位置和转速双闭环控制系统设计班级：自动化 140X 班学号：2014XXXX姓名：XXX指导教师：闫士杰 钱晓龙设计时间：2017 年 6 月 19 日2011 年 7 月 7 日信息学院自动化专业课程设计报告-2-目录1.引言 .31.1 课题的背景 31.2 课题的内容（三道题） 31.3 课题的意义 41.4 课设的主要任务 41.5 课设的具体安排 52 正文 52.1 仪器与设备 52.1.1 系统的硬件组成 52.1.2 系统的软件通信 .102.1.3 系统整体运行原理 .112.2 实验原理 .112.
2、2.1 罗克韦尔 PLC 基础编程原理 .112.2.2 变频器 520 编程原理 .142.2.3 威纶触摸屏编程原理 .152.2.4 EB8000 人机界面使用原理 152.3 解题思路与方案程序 152.3.1 第一题 152.3.2 第二题 162.3.3 第三题 172.4 实验效果的观测与分析 192.4.1 实验结果数据 .192.5 实验错误 202.5.1 错误的产生 202.5.2 错误的解决 203 结论 213.1 实验改进 213.1.1 发现的问题 213.1.2 改进方案 .213.2 实验基本结论 .233.3 梯形图编程技巧收获 243.4 心得感悟224
3、参考文献 255 附录 23信息学院自动化专业课程设计报告-3-1. 引言1.1 课题的背景可编程控制器自从问世至今 1，发展的非常迅速。可编程控制器作为当代电控装置的主导，以作为一个独立的工业设备列入生产当中。特别是 20 世纪80 年代以来，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，以 16 位及 32 位微计算机为核心的 PLC 得到了迅速的发展，从而使得 PLC 在设计上、使用性能方面以及价格方面都取得了很大的突破，在控制能力得到了很大的提高的同时，功耗以及体积也相对减少好多，性能得到了提升并且成本也得到了节约，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理以及图像显示等技术的发展，使 P
4、LC 的应用领域不断扩大。PLC 己成为现代工业生产自动控制的一大支柱设备，作为自动化专业的学生，要在今后的工作岗位充分发挥自动化技术的优越性，实现工业生产制造等行业的高度自动化，PLC 技术无疑是我们必须掌握的基本技能，因此，此次课设以 ROCKWELL850PLC 为学习对象，结合 520 变频器、电机、滑块、威纶触摸屏等组成一个简单的自动控制系统，通过简单的软件学习和编程学习，加上在专业课上学到的自动控制的理论知识，完成一系列任务，达到我们对 PLC 的更深层面的学习和认识。1.2 课题的内容（三道题）定位跑：滑块移动指定距离 1要求在屏幕上显示当前距离，计时时间和变频器给定频率。输入量
5、包含启动、停止和回原点按钮，以及滑块运动目标位置。所有显示和输入精度均为小数点后两位。目标位置输入的默认值为 10.00cm。距离输入和当前位置显示单位为 cm，变频器给定频率单位为 Hz，计时时间单位为 s。计时要求从按下启动按钮开始，滑块到达目标位后停止计时，并将运行时间显示在屏幕上。若在运行途中按下停止或回原点按钮，则要直接将计时时间清零，在回原点过程中不计时。折返跑：滑块进行三次折返运动后停止 2信息学院自动化专业课程设计报告-4-要能够输入三个折返点以及最后停止点的位置。三个折返点默认值分别为10.00cm，5.00cm，15.00cm，最后停止点的默认值为 0.00cm。计时要求使
6、用四个显示控件分别显示每一段计时时间。三个按钮要求同上题。显示要求同上题。跨栏跑：滑块到指定位置按照指定的速度通过，到达最终位置总时间最短 3为优胜。此题要求加入当前速度显示，以及该设备所能够达到的最大速度，单位 cm/s。三个指定位置分别为 7cm，14cm，21cm，最终停止于 25cm 处。三个位置处的经过速度由屏幕输入，但输入的不是真实速度，而是一个百分比，各处的真实速度要通过这个百分比乘以最大速度得到。显示要求包含计时时间，当前位置，实际速度，计算得到的速度给定和通过各处的实际速度值。不需要显示当前给定频率。 屏幕要求：触摸屏画面共做四个，一个主画面三个分画面，主画面中包含三个分画面
7、的进入按钮即可，分画面可以返回至主画面。 按钮要求：三个按钮均要求使用复归型按钮。启动按钮按下后滑块开始移动；如果滑块已在目标位，则按下后滑块不移动。停止按钮按下后滑块若正在运行，则立即停止；若滑块未移动，则保持停止。回原点按钮按下后滑块若正在移动，则立刻停止当前移动，运行至原点后停止；否则直接回归至原点后停止。1.3 课题的意义此次课设以 ROCKWELL850PLC 的学习为主，学习用 PLC 控制自动控制系统的基本方法。为了完成三道题目的要求，必须首先从对 PLC 等硬件组成系统的了解开始，进一步掌握相关软件的安装、使用等，然后要在深刻理解 850 编程原理和对应屏幕编程原理的基础上，不
8、断锻炼自己的思维编程能力，在拥有严谨逻辑的基础上，把学到的专业知识灵活运用，才能把三道题目的要求一一实现。在这个过程中，还要求我们掌握处理常见错误能力、团队合作能力以及独立思考能力。信息学院自动化专业课程设计报告-5-1.4 课设的主要任务 完成所用软件（包括屏幕、PLC 等）的下载、安装、建立工程； 根据题目要求完成三道题目 仔细检查程序，完成实验效果验收考核 撰写课程设计报告并进行答辩1.5 课设的具体安排 6 月 19 号：自动化专业课程设计动员大会 6 月 20 号-6 月 21 号：课程设计培训课程 6 月 22 号-6 月 29 号：课程设计实验训练 6 月 31 号：课程设计程序
9、验收 7 月 1 号-7 月 6 号：课程设计报告 7 月 7 号：课程设计结题答辩2 正文2.1 仪器与设备2.1.1 系统的硬件组成本次课程设计实验系统的硬件部分主要由罗克韦尔 850PLC、变频器 520、威纶触摸屏、丝杆及滑块 4 部分组成。每一部分硬件特性的简单介绍如下：1) 罗克韦尔 850PLC：信息学院自动化专业课程设计报告-6-图 2.1 Rockwell 850 PLC 实物图850PLC 的功能图如下图所示图 2.2 PLC 的系统结构图850PLC 的组成部分如下图所示图 2.3 PLC 的基本组成* CPU 模块： 微处理器：Z80A 8031 8085 8086 8
10、0286 存储器： 系统存储器：ROM用户存储器：RAM EPROM E2PROM* I/O 模块： 数字量：采用光电耦合器或隔离脉冲变压器，与 CPU 隔离，防干扰a交流： 110V 220Vb直流： 24V 12V 或 5V TTL 电平c继电器型：无源输出 模拟量：直流信号（420mA 15V 10V+10V 010V）a满足 IEC 标准的直流信号转换成 8 位、10 位、12 位的二进制信号b将 CPU 的二进制信号转换成满足 IEC 标准的直流信号给执行机构信息学院自动化专业课程设计报告-7-* 特殊模块：高速计数、热电偶或热电阻、各种定位模块、各种编码器模块、ASC/BASIC
11、模块、通信模块* 编程设备：专用、电脑* 电源模块：将交流 直流 外挂、内置850PLC 工作原理如下图所示图 2.4 850PLC 的工作原理* 上电及内部处理：上电后对整个系统进行一些初始化工作。如：硬件初始化，I/O 模块配置检查，停电保护，设定及其它初始化处理。* 扫描过程： 输入扫描：在具体的用户程序执行前，每次扫描过程都首先要读入各输入模块的全部输入状态，存放在数据存储器中（如输入映像表）在一个扫描周期时不变的。 程序扫描：CPU 处于运行状态，顺序执行程序，在梯形图中，程序按先左后右，先上后下的次序执行，通过逻辑判断和算术运算将每步的结果写入相关的存储器中。s 输出扫描：将数据存
12、储器（如输出映像表）当中的输出信号送至个输出模块，再经过输出模块锁存、隔离和功率放大后，驱动外部负载。如在程序执行期间，向输出模块传送数据，可采用“立即输出指令”。扫描周期= 程序执行时间+ I/O 扫描时间。程序执行时间：110ms/k 指令（CPU 的运算速度）。I/O 扫描时间：I/O 点的情况（内存+扩展）=），以完成在第一个转折点立即向左 ZUO2 折返；由 startflag 和 flag1、flag2 控功能块（=），以完成在第三个转折点立即向左 ZOU1 折返，然后由 startflag 和flag3、flag4 控功能块（=），以完成在第三个转折点仍然保持右行 YOU2，然后
13、由 startflag 和flag5、flag6 控功能块（=），以实现到达终点目标位置时，立即停止，此时信息学院自动化专业课程设计报告-18-激发的是 STOP2。将 a 置 1，控制计时器开始计时；由 flag1 控制 MOV，将第一段内的计时时间 dispalytime2 赋给 time1；由 flag1、flag2 控制 MOV，将第二段内的计时时间（dispalytime2-time1）赋给 time2；由 flag2、flag3、flag5 控制 MOV，将第三段内的计时时间（dispalytime2-time1-time2）赋给 time3；由 flag3、flag4、flag5
14、、flag6控制 MOV，将第四段内的计时时间（dispalytime2-time1-time2-time3）赋给time4；通过此程序组实现在折返点处将每一时刻的计时时长定格在屏幕上； 当摁下屏幕上 STOP 键时，编程完成 4 个任务即可，分别是：startflag 复位为 0； 将 a 置 0，此时计时器使能端为 0，计时器清零； 通过 MOV 将 0 赋值给 time1/2/3/4，实现计时器全部归 0；STOP2、STOP3、STOP、STOP4 均可控制 stop_zong，实现电机停止。 当摁下 gohome 键，编程完成 3 个任务即可，分别是： 将 a 置 0，此时计时器使能
15、端为 0，计时器清零； 通过 MOV 将 0 赋值给 time1/2/3/4，实现计时器全部归 0； 引入变量 FLAG8，将其置 1，然后由 FLAG8 控制功能块（=）指令，实现当当前位置大于各个指定点时，flag 置 1，当滑块位置在 7,14,21 时，分别置 flag6,7,8，为 1；然后由各个 flag 控制 MOV 指令，将各个时刻的 speednow 赋值给speednow1/2/3，以实现定格在屏幕上。 当摁下屏幕上 START 时，编程完成 7 个任务即可，分别是:startflag 置 1；YUO+START_Zong （线圈跟随）； 引入变量 a，且置 1，控制计时器
16、工作；由 startflag 控制(=)和（=)，以实现到达终点目标位置时，立即停止，此时激发的是 stop3;由 startflag 和 flag2/3/4 控制 MOV，实现在非减速段，滑块以最大频率 50 赫兹运行，到达运行时间最短；一摁 START,将 flag5/6/7/8 置 0。 当摁下屏幕上 STOP 键时，编程完成 5 个任务即可，分别是：startflag 复位为 0； 将 a 置 0，此时计时器使能端为 0，计时器清零； 通过 MOV 将 0 赋值给 displaytime2，实现计时器全部归 0；STOP2、stop3、STOP 均可控制 stop_zong，实现电机停
17、止;通过 MOV 将 0 赋值给 speednow1/2/3，实现速度显示全部归 0。 当摁下 gohome 键，编程完成 3 个任务即可，分别是：START_Zong 和 ZUO 同时线圈跟随，以此达到摁下 gohome，立即反向启动的目的； 将 a 置 0，此时计时器使能端为 0，计时器清零；信息学院自动化专业课程设计报告-20- 通过 MOV 块将 0 赋给屏幕上的计时显示时间变量 displaytime2;引入标志变量 FLAG1，将其置 1，然后由 FLAG1 控制功能块（=）,以实现退回到原点处时，立即停止，此时激发的是 STOP2；通过 MOV 将 0 赋值给 speednow1
18、/2/3，实现速度显示全部归 0。题目程序：见附录。2.4 实验效果的观测与分析2.4.1 实验结果数据A.实验一中，各功能均顺利实现，停止点误差约为 0.010.08；B.实验二中，各功能均顺利实现，在四个折返点均可正常折返，计时功能也可正常运行，停止点误差约为 0.010.06；C.实验三中，各功能均顺利实现，在三个跨栏点处的速度偏差较小，停止点误差约为 0.040.08。2.4.2 数据误差分析本次课程设计实验的误差主要由以下几个因素引起： 滑块及丝杆系统的本身机械误差； 整个自动化控制系统的稳态误差； 程序不够合理引来的误差（比如有些瞬时的上升沿或者下降沿会带来不准确因素）； PLC
19、程序运行时的扫描顺序也会对程序的准确度带来影响，从而影响系统的误差； 在设定 HSC 计数脉冲时，滑块每前进 1cm，计数脉冲增加多少，此过程测量值会因为设备、人为读数等方面因素造成很大的误差，造成_localtion 当前位置误差较大，从而影响到后续一系列程序的最终结果； 第三小题中，到指定位置的速度为 50 乘以相应百分比，所测得速度与滑块的最大速度进行比较，判断误差，而最大速度的测定方法为，让滑块以给定频率 50 赫兹运行，看滑块从头到尾所用时间，二者相除即可得到最大速度。那么可以看出，在这个过程中，一定会存在很多误差。例如计时器是否能够准确停止，滑块是真的从头到尾，还是被堵转在终点，等
20、信息学院自动化专业课程设计报告-21-等，因此所带来的误差必然比较大。2.5 实验错误2.5.1 错误的产生本次课程设计的整个实验过程中共出现了三次较为严重的实验错误，其中两个为系统硬件方面遇到问题，另一个为程序编写方面遇到的问题。 实验第一天发现启动后，滑块在达到最终点（丝杆末端）后，此时再次按回原点，滑块静止不动。 实验第三天，发现滑块无论如何都不动作，变频器也没有在正常运行的状态，在无数次重新下载和修改程序后，系统依然无法运行，错误持续了整整一早上。 实验前三天，无论如何都无法完成第一题的程序，最终程序还少一个回原点功能，不能完成程序的原因在于无法理清楚各个功能键的关系，总是动一发而前全
21、身，尝试了很多次依然没有找到好的解决方案，错误持续 2 天。2.5.2 错误的解决上述实验过程中出现的错误都是为比较严重的，是妨碍我们顺利完成课设的几道坎，不过也正是这几个问题让我受益匪浅，错误的解决有的靠老师，有的靠学长，还有自己问同学摸索出来的，好在最终都解决了，各个问题对应的解决方案如下。 滑块在到达丝杆末端时，若不能及时停止，而是已经堵转了一会儿，那么在此反向运行时，只有丝杆转向改变而滑块不会运行，经发现是滑块被稍稍卡住了，此时用手轻轻拨动滑块，即可继续正常反向运行。 第二个错误真的是浪费了一早上的时间，尝试了各种各样的方法都不奏效，后来才发现是桌子上的急停按钮被人摁下，以及 HSC
22、配置出现错误，两个因素导致根本无法启动变频器和滑块。解决时，我将急停按钮旋出。然后将HSC 中的 hsc_sts 和 hsc_info 两个变量删除，至此问题顺利解决。 此问题其实不仅是第一小题的问题，而是所有题目程序编写中都要遇到的问题。为了区分不同的按键功能，使它在完成一个按键所对应得功能时不会信息学院自动化专业课程设计报告-22-对其他按键对应的功能产生影响，必须要引入间接变量。例如，不能用 start或者 stop 直接去控制 RA 块中的启动和停止，因为这样必然就会出现混乱，而为了区分，解决逻辑更时特别麻烦。所以，我们引入一个变量start_zong，stop_zong 用它们去控制
23、真的电机启停，而它们又分别由其他start 和 stop 去控制，这样就可以实现，在某一处我需要停止时，只是单纯激发了 stop_zong，实现了停止功能，而不会引起其他的程序的运行。3 结论3.1 实验改进3.1.1 发现的问题实验误差较大，因为没有引入 PID 算法，尤其是第三小题，只有引入 PID算法才能使指定点的速度准确且满足全程运行时间最短（不能因为追求速度准确，而在指定前很远处就开始减速，这样做不满足生产实际的要求）。3.1.2 改进方案加入 IPID 功能块，通过使用 IPIDController 函数实现自动调节的一般步骤在前面部分已经详细介绍，下文会重点说明如何完成自动调节过
24、程中的P、I、D 增益参数的配置（包括理论和实际两个方面）。 理论知识根据所学理论知识我们知道 PID 的调节方法以及其各个参数的变化对系统输出的影响，这里总结如下：负反馈自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID 算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。PID 一般表达式PID 模拟算法：U(t)=P*e(t)+ 1/Ti*0te(t)dt+Td*de(t)/dt （1）PID 数字算法：U(K)=P*e(K)-e(K-1)+Ts/Ti*e(K-1)
25、+Td/Ts*e(K)-2e(K-1)+e(K-2)+ U(K-1)（2）信息学院自动化专业课程设计报告-23-其中 P 为比例增益；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数；PID 调节器要调节的也就是这三个参数。e(t)为输入误差；Ts 为数字 PID 运算的采样周期。PID 调试一般原则a.在输出不振荡时，增大比例增益 P。b.在输出不振荡时，减小积分时间常数 Ti。c.在输出不振荡时，增大微分时间常数 Td。一般步骤a.确定比例增益 P确定比例增益 P 时，首先去掉 PID 的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见 PID 的参数设定说明），使 PID 为纯比例调节。输入
26、设定为系统允许的最大值的 60%70%，由 0 逐渐加大比例增益 P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益 P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益 P，设定 PID 的比例增益 P 为当前值的 60%70%。比例增益 P 调试完成。b.确定积分时间常数 Ti比例增益 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数 Ti 的初值，然后逐渐减小 Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 Ti，直至系统振荡消失。记录此时的 Ti，设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%180%。积分时间常数 Ti 调试完成。c.确定积分时间常数 Td积分时间常数 Td 一般不用设定
27、，为 0 即可。若要设定，与确定 P 和 Ti 的方法相同，取不振荡时的 30%。d.系统空载、带载联调，再对 PID 参数进行微调，直至满足要求。P:Kc 增大,系统余差减小,但不能消失.随着 Kc 的增大,相应的过渡过程由 不振荡变为临界振荡或衰减振荡.I:积分作用能消除余差.Ti 小表示积分作用强,积分作用越强,过渡过程的振荡越剧烈.D:在比例作用的基础上增加微分作用将使系统的过度过程的振荡程度降低,信息学院自动化专业课程设计报告-24-提高了系统的稳定性.但微分作用不能太强.即 Td 不能太大.否则会因反应速度太快引起系统剧烈振荡 实际操作在实际配置参数过程中，我根据的方法主要是“试凑
28、法”，且只配置了 PI 参数。首先根据经验填入比例参数，然后根据滑块运行效果适当改变 K 值，同时尝试引入 I 参数，每次更新参数后，都要根据自动调节的一般步骤重新来一遍，直到观测到误差基本在允许范围内且效果较好，就可以固定 PI 参数了。3.2 实验基本结论采用合适的 PID 算法可以在很大程度上减小稳态误差、提高动态性能，对整个自动控制系统的“稳、准、快”指标均带来一定的好处。PID 三个参数要综合考虑，一般先将 I,D 设为 0，调好 P,达到基本的响应速度和误差，再加上I,使误差为 0，这时再根据实际情况考虑是否需要再加入 D,总之三个参数要反复调试，最终达到较好的结果。3.3 梯形图
29、编程技巧收获通过这次课程设计编程的学习，让我在 PLC 梯形图的编程方面有了很大的进步。对梯形图编程的主要感悟和理解有以下几条： 永远不要偷懒，如果自己的思维逻辑没那么强，那就乖乖多设几个变量，中间变量能够帮助你只去控制要完成部分的程序，从而不会牵扯到其他程序段，引起逻辑混乱，这一点真的很重要。例如我们在此次编程时，屏幕上的 START和真正控制电机的启动的并不是一个变量，而是由其间接控制； 深刻体会到了线圈的跟随作用。这个跟随作用听起来容易，但未必能真正理解，在实际编程时，往往简单的线圈就可以完成，而我们就会想复杂，想着怎么置位，然后又处心积虑想着怎么复位，往往使程序复杂化了。线圈的跟随作用
30、适用于像电机启动或者左右方向的这类变量的控制，因为他只需要一下置 1 就可以一直保持运行，而线圈的跟随又会同时具有跟随后自己复位的功能。 有一个置位 S 就必须有复位 R。真的在开始编程时没注意这个法则，导致程序功能紊乱不说，很多程序甚至是一次性程序，所以必须遵循这个法则。信息学院自动化专业课程设计报告-25-3.4 心得感悟三周的课程设计结束了，此次课程社会真的学会了很多东西，即使做得不那么圆满，但也让我对 PLC 甚至自动化专业有了更进一步的认识。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和
31、同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是大学学习生涯的重要组成部分，尤其是对于我们学习自动化学科有着很大的帮助。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。我们在课上学习到的全部是理论知识，课程设计正好可以将我们所学到的知识应用于实际。在直流控制系统的课上，我们学习了有关自动控制系统和PID 调节
32、的一些知识，在课堂上由于学习的比较仓促，再加上没有系统的复习，导致理论知识比较匮乏。但在这次课程设计中，我深刻体会到了自动控制系统的控制过程，以及控制系统的每个环节。钱老师让我们做三道题目,目的就是为了让我们了解控制系统的每个环节。平时总生活在书本上的东西也一下间出现在了我们面前，PLC、变频器、并且对自动控制系统进行控制的各个软件，我们可谓是大开眼界。之后学长亲自教授了我们有关各个软件的基本使用方法。通过老师出的若干个让我们设计的题目，我们巩固了对这几款软件的理解。也对我们接下来调节 PID 参数打好了基础。在进行梯形图编程时，我有充分体验到了团队力量的伟大。每个人都有所擅长和有所不擅长，但
33、是只要将每人所擅长的部分融合在一起就是成功。大家在一起集思广益，小组之间也互相讨论，相互指点，团队的力量总是可以事半功倍。在此特别感谢我们的老师和学长。老师们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，而学长们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课设的每个实验细节和每个数据，都离不开老师和学长的细信息学院自动化专业课程设计报告-26-心指导。谢谢你们严谨又宽容的态度，帮助我很顺利的完成了这次课程设计，再次表达衷心的感谢！4 参考文献1王玉铎.可编程控制器特点及发展趋势J.科技传播.2013.(20):214+145.2 王建辉 顾树生.自动控制系统M.北京.清华大学出版社.20073 罗克韦尔工程师.850 编程手册，http:/ PID 调节及参数整定J. 科技创新导报,2009,(31):57.5 附录（1）屏幕截图：信息学院自动化专业课程设计报告-27-信息学院自动化专业课程设计报告-28-（2）程序： 第一题定位跑：信息学院自动化专业课程设计报告-29-信息学院自动化专业课程设计报告-30-
