自動控制原理課程設計---溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　課程設計任務書.............................................................2</p><p>　　正文：溫箱溫度控制系統(tǒng)設計.....................................6</p><p>　

2、　一、軟件仿真單元...............................................................6</p><p>　　設計要求.........................................................................6</p><p>　　設計設備...................

3、......................................................6</p><p>　　設計原理.........................................................................6</p><p>　　設計內(nèi)容及步驟..................................

4、...........................7</p><p>　　運用MATLAB對溫箱模型進行串聯(lián)超前校正.............7</p><p>　　采用PID結構對溫箱模型的建立..................................13</p><p>　　硬件設計單元...............................

5、...............................22</p><p>　　設計要求........................................................................22</p><p>　　設計設備...........................................................

6、.............22</p><p>　　設計原理........................................................................22</p><p>　　設計內(nèi)容及步驟............................................................22</p>

7、<p>　　設計所測數(shù)據(jù)................................................................23</p><p>　　設計分析........................................................................26</p><p>　　設計體會.........

8、.............................................................27</p><p>　　參考文獻 ....................................................................28</p><p>　　溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p><

9、b>　　一、軟件仿真單元</b></p><p><b>　　1、設計要求</b></p><p>　　1)分別利用頻域法和Ziegler-Nichols法對系統(tǒng)調(diào)節(jié)器加以設計，并整定相關參數(shù)</p><p>　　2)對校正前后的系統(tǒng)性能指標以及頻域性進行計算和對比，并分析校正結果。</p><p>　

10、　3)要求整定后的系統(tǒng)性能指標滿足： %≤15% ，≤135s，靜態(tài)誤差小于2%。</p><p><b>　　2、設計設備</b></p><p>　　計算機-MATLAB軟件</p><p><b>　　3、設計原理</b></p><p>　　圖1是系統(tǒng)的結構框圖，由于調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)可以等效

11、成比例環(huán)節(jié)，測量變送環(huán)節(jié)也等效成比例環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)大大簡化。</p><p>　　圖1 溫度控制系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　由于系統(tǒng)的輸入和輸出的變化規(guī)律與帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)的階躍響應曲線相似，所以可以將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型結構等效成</p><p>　　G(s)= /Ts +1</p><p>　　式中：K為放大系數(shù)，T為

12、過程時間常數(shù)， 為純滯后時間。</p><p>　　溫度系統(tǒng)參數(shù)：（本實驗取參數(shù)值1）</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)，可采用頻域法實現(xiàn)，在求解PID參數(shù)時，先不考慮延時環(huán)節(jié)，在初步求的PID參數(shù)之后，在考慮延時環(huán)節(jié)的影響，重新調(diào)整PID參數(shù)，使得系統(tǒng)的階躍響應滿足 %≤15%　，　≤135s 。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)單位階躍響應可知系統(tǒng)等效

13、成帶有延遲的一階系統(tǒng)，這個結論正好與Ziegler－Nichols整定方法相吻合。因此可以采用這個方法實現(xiàn)PID參數(shù)的在整定。</p><p><b>　　設計內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　1)運用MATLAB對溫箱模型進行串聯(lián)超前校正</p><p>　　在MATLAB命令窗口中輸入代碼如下：</p><p>

14、;<b>　　Num=4.4</b></p><p>　　Den=conv([1],[340,1])</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　回車，然后鍵入sisotool命令，再回車即可打開一個空的SISO Design Tool，如圖2所示。</p><p><b>　　圖2 (

15、a)</b></p><p><b>　　圖2 (b)</b></p><p><b>　　圖2(c)</b></p><p>　　點擊圖2(b)中System Data按鈕,打開如圖3所示對話框，選擇模型G。</p><p><b>　　圖3</b></p&

16、gt;<p>　　點擊Browse按鈕，打開如圖4所示對話框。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　點擊Import ，關閉對話框，確定模型G載入，再通過Analysis命令，得到如圖5所示。</p><p><b>　　圖5(a)</b></p><p>&

17、lt;b>　　圖5(b)</b></p><p>　　加入超前校正網(wǎng)絡，在開環(huán)Bode圖中點擊鼠標右鍵，選擇“Add Pole\Zero”下的“l(fā)ead”菜單，該命令將在控制器中添加一個超前校正網(wǎng)絡，這時鼠標的光標將變成“X”形狀，將鼠標移到Bode圖幅頻曲線上接近最右端極點的位置按下鼠標，得到如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 (a)</b&

18、gt;</p><p><b>　　圖6 (b)</b></p><p>　　調(diào)整超前網(wǎng)絡的零極點：將超前網(wǎng)絡的零點移動到靠近原來最左邊的極點位置，接下來將超前網(wǎng)絡的極點向右移動，直到滿足設計要求，如圖7所示。</p><p><b>　　圖7（a）</b></p><p><b>　　圖

19、7(b)</b></p><p>　　得到傳遞函數(shù)如圖8所示。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　2)采用PID結構對溫箱數(shù)學模型的建立</p><p>　　在MATLAB命令窗口的鍵入simulink命令，回車后即可啟動simulink程序。</p><p&g

20、t;　　啟動后軟件自動打開simulink模型庫窗口，如圖9所示。</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　選擇工具欄上New Model按鈕，打開一個空白的模型編輯器窗口，畫出所需模塊，并連線，如圖10所示。</p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位階躍響應：</p><p><b>

21、　　圖10</b></p><p><b>　　設定階躍輸入?yún)?shù)：</b></p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　設定慣性環(huán)節(jié)參數(shù)：</b></p><p><b>　　圖12</b></p>&

22、lt;p>　　一階慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應波形圖：</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負反饋階躍響應：</p><p><b>　　圖14</b></p><p><b>　　設定加法器參數(shù)：</b></p>

23、<p><b>　　圖15</b></p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負反饋階躍響應波形圖：</p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　(3)帶PID的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負反饋階躍響應：</p><p><b>　　圖17</b><

24、;/p><p><b>　　設定PID參數(shù)：</b></p><p>　　當沒有修改PID參數(shù)，即PID為原始數(shù)據(jù)（圖18 (a)）時，得到如圖18(b)所示波形：</p><p>　　圖18(a)初始數(shù)據(jù)</p><p>　　圖18(b)初始波形</p><p>　　修改PID參數(shù)，如圖19(a)所

25、示，得到如圖19(b)所示波形：</p><p><b>　　圖19(a)</b></p><p><b>　　圖19(b)</b></p><p>　　(4)帶PID、延時環(huán)節(jié)的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負反饋階躍響應：</p><p><b>　　圖20</b></p>

26、<p><b>　　設定延時參數(shù)：</b></p><p><b>　　圖21</b></p><p>　　調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，得到滿足要求的波形圖：</p><p><b>　　圖21</b></p><p>　　帶PID、延時環(huán)節(jié)的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負反饋階躍響

27、應波形圖：</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　二、硬件設計單元</b></p><p><b>　　1、設計要求</b></p><p>　　參考《課程設計硬件操作指南》指南完成實物接線。</p><p>　　將階躍

28、信號作用于系統(tǒng)，調(diào)節(jié)信號的占空比、頻率和幅值。</p><p>　　測出系統(tǒng)在不同電阻和電容取值情況下的階躍響應輸出。</p><p>　　分析系統(tǒng)的元件取值對輸出影響，分別從有擾動、無擾動，有積分、無積分等角度分析。</p><p>　　根據(jù)實際溫箱輸入和輸出特性，計算出實物的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　2、設計設備&

29、lt;/b></p><p>　　1)ACCC-1型自動控制理論及計算機控制技術實驗裝置；</p><p><b>　　2)數(shù)字式萬用表</b></p><p><b>　　3)示波器</b></p><p><b>　　3、設計原理</b></p><

30、;p><b>　　圖19 </b></p><p>　　溫控系統(tǒng)框圖如圖19所示，有給定、PI調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制電路、加溫室、溫度變送器和輸出電壓反饋等部分組成。在參數(shù)給定的情況下，經(jīng)過PI運算產(chǎn)生相應的控制量，使加溫室里的溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p>　　給定Ug由ACCC-2自動控制理論及計算機控制技術的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3

31、V~15V。</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的輸出作為脈寬調(diào)制的輸入信號，經(jīng)脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生占空比可調(diào)0~100%的脈沖信號，作為對加溫室里電熱絲的加熱信號。</p><p>　　溫度測量采用Cu50熱敏電阻，經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成電壓反饋量，穩(wěn)定輸入范圍為0~200℃，溫度變送器的輸出電壓范圍為DC0~10V。</p><p>　　根據(jù)實際的設計要求，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)β，

32、從而調(diào)節(jié)輸出電壓。</p><p><b>　　設計內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　設計的接線圖如圖20所示，除了實際的模擬對象、電壓表和轉(zhuǎn)速計表外，其中的模擬電路由ACCC-2自動控制理論及計算機控制技術實驗板上的運放單元和備用元器件搭建而成。參考的實驗參數(shù)如下：</p><p>　　R0=R1=R2=100K，R3=10K，R4=2

33、M，R5=510K，C1=1uF，Rf/Ri=2。</p><p><b>　　圖20</b></p><p>　　具體的設計步驟如下：</p><p>　　先將ACCC-3自動控制理論及計算機控制技術和ACCC-2自動控制理論及計算機控制技術面板上的電源船形開關放在“OFF”狀態(tài)。</p><p>　　利用ACCC-2

34、實驗板上的單元電路U9、U15和U11，設計并連接如圖所示的閉環(huán)系統(tǒng)。需要注意的是，運放的鎖零信號G接到-15V。</p><p>　　將ACCC-2面板上U1單元的可調(diào)電壓接到Ug；</p><p>　　給定輸出接PI調(diào)節(jié)器的輸入，這里參數(shù)電路中Kd=0,R4的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性。</p><p>　　經(jīng)PI運算后給電機驅(qū)動電路提供輸入信號，即將調(diào)節(jié)器

35、電路單元的輸出接到ACCC-3面板上的低壓直流電動機調(diào)速中的功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（IN+），負極端（IN-）接地；</p><p>　　功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機的電樞兩端；</p><p>　　轉(zhuǎn)速測量的輸出同時接到電壓反饋輸入端和20V電壓表頭的輸入端，由于轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓為正值，所以反饋回路中接一個反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)β=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓U0。&l

36、t;/p><p>　　連接好上述線路，全面檢查線路后，先合上ACCC-3實驗面板上的電源船形開關，再合上ACCC-2面板上的船形開關，調(diào)整PI參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時觀測輸出電壓變化情況。</p><p>　　在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。如達不到，則根據(jù)PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PI參數(shù)。</p><p>　　改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性

37、。</p><p><b>　　5、設計所測數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的初始狀態(tài)</p><p>　　圖21 初始狀態(tài)的輸出響應</p><p>　　2)P環(huán)節(jié)（無積分）下溫控系統(tǒng)</p><p>　　P環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：Uo(s)=I(s)*R3</p>&l

38、t;p>　　-Ui(s)= I(s)*R4</p><p>　　G(s) =- R3/ R4</p><p>　　當R4=1M時系統(tǒng)的輸出響應</p><p>　　圖22的上升過程和穩(wěn)定過程</p><p>　　當R4=2.0M 時的輸出響應 </p><p>　　圖23上升過程

39、 圖24穩(wěn)定過程</p><p>　　3)PI環(huán)節(jié)下的溫控系統(tǒng)</p><p>　　當C=1μ R5=510k時的輸出響應</p><p>　　圖25上升過成和穩(wěn)定過程</p><p>　　當C=1μ R5=330k時的輸出響應</p><p>　　圖 26 上升過程和穩(wěn)定過程</p>

40、<p>　　當C=10μ R5=510k時的輸出響應</p><p>　　圖27 上升過程 圖28 穩(wěn)定過程</p><p>　　當C=10μ R5=330k時的輸出響應</p><p>　　圖29上升過升和穩(wěn)定過程</p><p><b>　　6、實驗分

41、析</b></p><p>　　分析：發(fā)現(xiàn)取不同的R5和C1后系統(tǒng)最終都能達到穩(wěn)定，并且達到了給定值6V貼現(xiàn)了積分的作用，即消除了誤差。</p><p><b>　　三、設計體會</b></p><p>　　本次課程設計包括MATLAB軟件仿真和硬件實物調(diào)試部分，軟件仿真的目的是對系統(tǒng)先進行建模，然后設計控制器使其滿足任務書上的性能

42、指標要求，并調(diào)整控制器參數(shù)，分析控制器各參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；硬件調(diào)試的目的是為了實現(xiàn)理論和實踐的結合，將仿真得到的心得體會在硬件平臺上加以驗證，以便得到更加形象具體的認識。并鞏固學生所學自控原理課程知識，培養(yǎng)學生運用所學知識分析解決問題的能力。</p><p>　　在軟件仿真單元中，分別利用了串聯(lián)超前驗證和PID校驗。在進行串聯(lián)超前校正時，要利用“MATLAB”可以方便地畫出Bode圖主要是為了對系統(tǒng)進行校正

43、，使其滿足設計所要求的性能指標,得到最佳的校正裝置。要想滿足性能指標，就要對添加的零點和極點的位置進行不斷調(diào)整，來改變控制器的參數(shù)，使得滿足性能指標。在進行PID校驗時，要用到“MATLAB”軟件中的“Siumlink”環(huán)節(jié)，在運用時，要先打開一個空白的模型編輯窗口，再畫出系統(tǒng)的各個模塊，并給出參數(shù)，連接好線路，建立一個控制系統(tǒng)結構框圖，然后再進行仿真參數(shù)設置并啟動仿真，再觀察波形是否滿足系統(tǒng)性能指標，若不滿足，再對PID參數(shù)進行設置修

44、改。通過仿真發(fā)現(xiàn)：加入積分環(huán)節(jié)后，通過改變零極點的位置，能提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，能夠減小超調(diào)量，積分環(huán)節(jié)可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是不能消除誤差，而且會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。</p><p>　　在硬件實物調(diào)試的階段，目的是為了在實驗中去驗證仿真時的結論。在進行實驗時，運用了比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)。在選用P控制器的時候，通過改變比例系數(shù)，發(fā)現(xiàn):比例環(huán)節(jié)可以增強系統(tǒng)的動態(tài)性能，對改善系統(tǒng)的上升時間有顯著作用，但是不能消除

45、誤差。由于加熱系統(tǒng)輸入為脈寬調(diào)節(jié)后的輸出、輸入電壓最大為10V，所以在加熱時間Kp大小對系統(tǒng)的輸出影響不大I環(huán)節(jié)可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的超調(diào)量，同是它也會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差上升時間延長，減小Tp。減小電容C可以使積分作用增強，是超調(diào)量減小。單獨使用P,I時，系統(tǒng)會出現(xiàn)矛盾的情況，如使用I環(huán)節(jié)會使得T減小，超調(diào)量減小但調(diào)節(jié)時間，上升時間增加，系統(tǒng)的性能不能同步調(diào)節(jié)，所以要采用積分環(huán)節(jié)儀器來實現(xiàn)。D環(huán)節(jié)反映誤差的變換快慢，將誤差的變化趨勢很好的反映出

46、來，Td變大微分作用增強。在系統(tǒng)剛啟動時作用強，溫箱系統(tǒng)的延時性很強，所以微分作用不大，這就決定了我們用PI控制器來實現(xiàn)設計要求。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　1、薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析.北京:清華大學出版社,2000.</p><p>　　2、飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助控制系統(tǒng)

47、設計與仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　3、胡壽松.自動控制原理.4版.北京:科學技術出版社,2001.</p><p>　　4、白繼平，徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中國航海，2004（4）：77-80.</p><p>　　5、徐亞飛，劉官敏，高國章等.溫箱溫度PID與預測控制[J].武漢理工大學學報.2004.8